熱電偶的工作原理

什么叫熱電偶？這*要從熱電偶測(cè)溫原理說(shuō)起，熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過(guò)電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。A）熱電偶測(cè)溫的基本原理是：兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中*會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間*存在Seebeck電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這*是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制成熱電偶分度表；分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。B）兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中*會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶*是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。

熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度，對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：

1、熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)；

2、熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；

3、當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，熱電偶的熱電勢(shì)僅是工作端溫度的單值函數(shù)。

熱電偶的發(fā)展歷史

1821年，德國(guó)物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)，這*是熱電效應(yīng)，也稱作塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）。

Thomas Johann Seebeck（1780～1831）

〔發(fā)現(xiàn)者〕托馬斯·約翰·塞貝克1770年生于塔林（當(dāng)時(shí)隸屬于東普魯士，現(xiàn)為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個(gè)具有瑞典血統(tǒng)的德國(guó)人，也許正因?yàn)槿绱?，他鼓?lì)兒子在他曾經(jīng)學(xué)習(xí)過(guò)的柏林學(xué)和哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)學(xué)。1802年，塞貝克獲得學(xué)學(xué)位。由于他所選擇的方向是實(shí)驗(yàn)學(xué)中的物理學(xué)，而且一生中多半時(shí)間從事物理學(xué)方面的教育和研究工作，所以人們通常認(rèn)為他是一個(gè)物理學(xué)家。

畢業(yè)后，塞貝克進(jìn)入耶拿大學(xué)，在那里結(jié)識(shí)了歌德。德國(guó)浪漫主義運(yùn)動(dòng)以及歌德反對(duì)牛頓關(guān)于光與色的理論的思想，使塞貝克深受影響，此后長(zhǎng)期與歌德一起從事光色效應(yīng)方面的理論研究。塞貝克的研究重點(diǎn)是太陽(yáng)光譜，他在1806年揭示了熱量和化學(xué)對(duì)太陽(yáng)光譜中不同顏色的影響，1808年*獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當(dāng)塞貝克從事應(yīng)力玻璃中的光偏振現(xiàn)象時(shí)，他卻不曉得另外兩個(gè)科學(xué)家布魯斯特和比奧已經(jīng)搶先在這一領(lǐng)域里有了發(fā)現(xiàn)。

1818年前后，塞貝克返回柏林大學(xué)，獨(dú)立開展研究活動(dòng)，主要內(nèi)容是電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)對(duì)鋼鐵的磁化。當(dāng)時(shí)，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對(duì)鋼鐵的磁化效應(yīng)，貝塞克對(duì)不同金屬進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應(yīng)，也*是我們現(xiàn)在所說(shuō)的磁滯現(xiàn)象。在此期間，塞貝克還曾研究過(guò)光致發(fā)光、太陽(yáng)光譜不同波段的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、偏振，以及電流的磁特性等等。

1820年代初期，塞貝克通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法研究了電流與熱的關(guān)系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成一個(gè)電流回路。他將兩條導(dǎo)線首尾相連形成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個(gè)結(jié)加熱到很高的溫度而另一個(gè)結(jié)保持低溫的話，電路周圍存在磁場(chǎng)。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個(gè)結(jié)時(shí)會(huì)有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來(lái)解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來(lái)的兩年里時(shí)間（18222～1823），塞貝克將他的持續(xù)觀察報(bào)告給普魯士科學(xué)學(xué)會(huì)，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導(dǎo)致的金屬磁化”。

塞貝克確實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，但他卻做出了錯(cuò)誤的解釋：導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)的原因，是溫度梯度導(dǎo)致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流?？茖W(xué)學(xué)會(huì)認(rèn)為，這種現(xiàn)象是因?yàn)闇囟忍荻葘?dǎo)致了電流，繼而在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生了磁場(chǎng)。對(duì)于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說(shuō)，科學(xué)家們的眼睛讓奧斯特（電磁學(xué)的先驅(qū)）的經(jīng)驗(yàn)給蒙住了，所以他們只會(huì)用“磁場(chǎng)由電流產(chǎn)生”的理論去解釋，而想不到還有別的解釋。但是，塞貝克自己卻難以解釋這樣一個(gè)事實(shí)：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。所以，多數(shù)人都認(rèn)可熱電效應(yīng)的觀點(diǎn)，后來(lái)也*這樣被確定下來(lái)了。

〔應(yīng)用〕熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后的1830年，人們*為它找到了應(yīng)用場(chǎng)所。利用熱電效應(yīng)，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶）來(lái)測(cè)量溫度。只要選用適當(dāng)?shù)慕饘僮鳠犭娕疾牧希?可輕易測(cè)量到從-180℃到+2000℃的溫度，如此寬泛的測(cè)量范圍，令酒精或水銀溫度計(jì)望塵莫及?，F(xiàn)在，通過(guò)采用鉑和鉑合金制作的熱電偶溫度計(jì)，甚至可以測(cè)量高達(dá)+2800℃的溫度！

熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，環(huán)路電壓VOUT為熱結(jié)點(diǎn)結(jié)電壓與冷結(jié)點(diǎn)（參考結(jié)點(diǎn)）結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，也*是說(shuō)VOUT是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對(duì)應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。

熱電偶的型號(hào)解釋

溫度測(cè)量范圍和允許誤差

熱響應(yīng)時(shí)間

在溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，熱電偶的輸出變化至相當(dāng)于該變化的50%所需要的時(shí)間稱為熱響應(yīng)時(shí)間，用t0.5表示

□型號(hào)表示

WR□－□□□

熱電偶公稱壓力　

一般是指在室溫情況下保護(hù)管所能承受的靜態(tài)外壓而不破裂。實(shí)際上，容許工作壓力不僅與保護(hù)管材料、直徑壁厚有關(guān)，還與其結(jié)構(gòu)形式、安裝方法、置入深度以及被測(cè)介質(zhì)的流速和種類等有關(guān)。熱電偶*小置入深度應(yīng)不小于其保護(hù)管外徑的8-10倍(特殊產(chǎn)品例外)。

熱電偶絕緣電阻（常溫）

常溫絕緣電阻的試驗(yàn)電壓為直流500V±50V，測(cè)量常溫絕緣電阻的大氣條件為溫度15-35℃，相對(duì)濕度45%，大氣壓力86～106kPa。對(duì)于長(zhǎng)度超過(guò)1米的熱電偶它的常溫絕緣電阻值與其長(zhǎng)度的乘積應(yīng)不小于100MΩ。　　

熱電偶的上限溫度絕緣電阻應(yīng)不小于下表現(xiàn)定：