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热电偶测温
日期：2024-09-02 21:20
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摘要：
热电偶测温的基本原理
（一）热电偶的热电效应
热电偶作为温度传感器所依据的原理，是1823年塞贝克发现的热电效应。当两种不同的导体或半导体A和B的两端相接成闭合回路，就组成热电偶。如果A和B的两个接点温度不同（假定
），则在该回路中就会产生电流，这表
明了该回路中存在电动势，这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电势。显然，回路中产生的热电势大小仅与组成回路的两种导体或半导体A、B的材料性质及两个接点的温度
有关，热电势用符号 表示。 （二）热电偶工作原理
组成热电偶的两种不同的导体或半导体称为热电极；放置在被测温度为
的介质中的接点叫做测量端（或工作端、热端）；另一个接点通常置于某个恒定的温度 （如0℃），叫做参比端（或自由端、冷端）。
在热电偶回路中，产生的热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。 1.温差电势
温差电势是同一导体两端因其温度不同而产生的一种热电势。由物理学电子论的观点可知，当一根均质金属导体A上存在温度梯度时，处于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，所以，从高温端向低温端扩散
的电子数比从低温端向高温端扩散的电子数多得多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场
，这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端扩散，并加速电子向相反的方向转移而建立相对的动态平衡。此时，在导体两端产生的电位差称为温差电势，用符号
表示导体A在其两端温度分别为 和 时的温差电势，括号中温度 和
的顺序决定了电势的方向，若改变这一顺序，也要相应改变电势的正负号，即 。 温差电势 可用下式表示：
（6-1） 同理，导体B在其两端温度为 和
时产生的温差电势 写为： （6-2） 式中： 和
-----导体A和B在两端温度分别为 和 时的温差电势； e-----电子电荷量，e=1.602×10-19
C； -----波尔兹曼常数， ，J/K； 和 -----导体A和B的电子密度，均为温度的函数。
上述两式表明温差电势的大小只与导体的种类及导体两端温度 和 有关。 2.接触电势
接触电势是在两种不同的导体相接触处产生的一种热电势。由物理学电子论的观
点知道，任何金属内部由于电子与晶格内正电荷间的相互作用，使得电子在通常温度下只作不规则的热运动，而不会从金属中挣脱出来。要想从金属中取出电子就必须消耗一定的功，这个功称为金属的逸出功。当两种不同的金属导体A、B连接在一起时，其接触处将会发生自由电子扩散的现象，其原因之一是两种金属的逸出功不同。假如金属导体A的逸出功比B的小，电子就比较容易从金属A转移到金属B；另一原因是两种金属导体的自由电子密度略有不同，假如金属导体A的自由电子密度比B的自由电子密度大，在单位时间内由金属A扩散到金属B的电子数就要比由金属B扩散到金属A的电子数多。在上述情况下，金属A将因失去电子而带正电，金属B则因得到电子而带负电。于是在金属导体A、B之间就产生了电位差，即在其接触处形成一个由A到B的静电场
，如图6.3所示。这个静电场将阻止电子扩散的继续进行，并加速电子向相反的方向转移。当电子扩散的能力与静电场的阻力相平衡时，接触处的自由电子扩散就达到了动平衡状态。此时A、B之间所形成的电位差称为接触电势，其数值不仅取决于两种不同金属导体的性质，还和接触处的温度有关。用符号
表示金属导体A和B的接触点在温度为
时的接触电势，其脚注AB的顺序代表电位差的方向，如果改变脚注顺序，电势的正负符号也应改变，即 。 接触电势
可用下式表示： （6-3）
同理，导体A和B的接触点温度为 时的接触电势 可表示为：
（6-4） 式中： 和 -----金属导体A和B接触点的温度，K； 和
-----金属导体A和B在温度为 时的电子密度； 和 -----金属导体A和B在温度为 时的电子密度。
上述两式表明，接触电势的大小与两种导体的种类及接触处的温度有关。 3.热电偶回路的热电势
综上所述，当两种不同的均质导体A和B首尾相接组成闭合回路时，如果 ，而且 ，则在这个回路内，将会产生两个接触电势 、
和两个温差电势 、 ，热电偶回路的热电势 为：
（6-5）
将式（6-5）整理后可得：
（6-6） 由于温差电势比接触电势小，而又有 ，所以在总电势 中，以导体A、B在 端的接触电势
所占的比例*大，总电势 的方向将取决于 的方向。在热电偶的回路中，因 ，所以导体A为正极，B为负极。
式（6-6）表明，热电势的大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点的温度。因此，当热电极的材料一定时，热电偶的总电势
就仅是两个接点温度 和 的函数差，可用下式表示为： （6-7） 如果能保持热电偶的冷端温度
恒定，对一定的热电偶材料，则 亦为常数，可用C代替，其热电势就只与热电偶测量端的温度 成单值函数关系，即
（6-8）
这一关系式可通过实验方法获得。在实际测温中，就是保持热电偶冷端温度 为恒定的已知温度，再用显示仪表测出热电势
，而间接地求得热电偶测量端的温度，即为被测的温度 。
通常，热电偶的热电势与温度的关系，都是规定热电偶冷端温度为0℃时，按热电偶的不同种类，分别列成表格形式，这些表格就称为热电偶的分度表。
（一）热电偶的热电效应
热电偶作为温度传感器所依据的原理，是1823年塞贝克发现的热电效应。当两种不同的导体或半导体A和B的两端相接成闭合回路，就组成热电偶。如果A和B的两个接点温度不同（假定
），则在该回路中就会产生电流，这表
明了该回路中存在电动势，这个物理现象称为热电效应或塞贝克效应，相应的电动势称为塞贝克电势。显然，回路中产生的热电势大小仅与组成回路的两种导体或半导体A、B的材料性质及两个接点的温度
有关，热电势用符号 表示。 （二）热电偶工作原理
组成热电偶的两种不同的导体或半导体称为热电极；放置在被测温度为
的介质中的接点叫做测量端（或工作端、热端）；另一个接点通常置于某个恒定的温度 （如0℃），叫做参比端（或自由端、冷端）。
在热电偶回路中，产生的热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。 1.温差电势
温差电势是同一导体两端因其温度不同而产生的一种热电势。由物理学电子论的观点可知，当一根均质金属导体A上存在温度梯度时，处于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，所以，从高温端向低温端扩散
的电子数比从低温端向高温端扩散的电子数多得多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电，在高、低温两端之间便形成一个从高温端指向低温端的静电场
，这个静电场将阻止电子进一步从高温端向低温端扩散，并加速电子向相反的方向转移而建立相对的动态平衡。此时，在导体两端产生的电位差称为温差电势，用符号
表示导体A在其两端温度分别为 和 时的温差电势，括号中温度 和
的顺序决定了电势的方向，若改变这一顺序，也要相应改变电势的正负号，即 。 温差电势 可用下式表示：
（6-1） 同理，导体B在其两端温度为 和
时产生的温差电势 写为： （6-2） 式中： 和
-----导体A和B在两端温度分别为 和 时的温差电势； e-----电子电荷量，e=1.602×10-19
C； -----波尔兹曼常数， ，J/K； 和 -----导体A和B的电子密度，均为温度的函数。
上述两式表明温差电势的大小只与导体的种类及导体两端温度 和 有关。 2.接触电势
接触电势是在两种不同的导体相接触处产生的一种热电势。由物理学电子论的观
点知道，任何金属内部由于电子与晶格内正电荷间的相互作用，使得电子在通常温度下只作不规则的热运动，而不会从金属中挣脱出来。要想从金属中取出电子就必须消耗一定的功，这个功称为金属的逸出功。当两种不同的金属导体A、B连接在一起时，其接触处将会发生自由电子扩散的现象，其原因之一是两种金属的逸出功不同。假如金属导体A的逸出功比B的小，电子就比较容易从金属A转移到金属B；另一原因是两种金属导体的自由电子密度略有不同，假如金属导体A的自由电子密度比B的自由电子密度大，在单位时间内由金属A扩散到金属B的电子数就要比由金属B扩散到金属A的电子数多。在上述情况下，金属A将因失去电子而带正电，金属B则因得到电子而带负电。于是在金属导体A、B之间就产生了电位差，即在其接触处形成一个由A到B的静电场
，如图6.3所示。这个静电场将阻止电子扩散的继续进行，并加速电子向相反的方向转移。当电子扩散的能力与静电场的阻力相平衡时，接触处的自由电子扩散就达到了动平衡状态。此时A、B之间所形成的电位差称为接触电势，其数值不仅取决于两种不同金属导体的性质，还和接触处的温度有关。用符号
表示金属导体A和B的接触点在温度为
时的接触电势，其脚注AB的顺序代表电位差的方向，如果改变脚注顺序，电势的正负符号也应改变，即 。 接触电势
可用下式表示： （6-3）
同理，导体A和B的接触点温度为 时的接触电势 可表示为：
（6-4） 式中： 和 -----金属导体A和B接触点的温度，K； 和
-----金属导体A和B在温度为 时的电子密度； 和 -----金属导体A和B在温度为 时的电子密度。
上述两式表明，接触电势的大小与两种导体的种类及接触处的温度有关。 3.热电偶回路的热电势
综上所述，当两种不同的均质导体A和B首尾相接组成闭合回路时，如果 ，而且 ，则在这个回路内，将会产生两个接触电势 、
和两个温差电势 、 ，热电偶回路的热电势 为：
（6-5）
将式（6-5）整理后可得：
（6-6） 由于温差电势比接触电势小，而又有 ，所以在总电势 中，以导体A、B在 端的接触电势
所占的比例*大，总电势 的方向将取决于 的方向。在热电偶的回路中，因 ，所以导体A为正极，B为负极。
式（6-6）表明，热电势的大小取决于热电偶两个热电极材料的性质和两端接点的温度。因此，当热电极的材料一定时，热电偶的总电势
就仅是两个接点温度 和 的函数差，可用下式表示为： （6-7） 如果能保持热电偶的冷端温度
恒定，对一定的热电偶材料，则 亦为常数，可用C代替，其热电势就只与热电偶测量端的温度 成单值函数关系，即
（6-8）
这一关系式可通过实验方法获得。在实际测温中，就是保持热电偶冷端温度 为恒定的已知温度，再用显示仪表测出热电势
，而间接地求得热电偶测量端的温度，即为被测的温度 。
通常，热电偶的热电势与温度的关系，都是规定热电偶冷端温度为0℃时，按热电偶的不同种类，分别列成表格形式，这些表格就称为热电偶的分度表。
