熱電偶的工作原理

什么叫熱電偶？這*要從熱電偶測溫原理說起，熱電偶是一種感溫元件，是一次儀表，它直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。A）熱電偶測溫的基本原理是：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，回路中*會有電流通過，此時兩端之間*存在Seebeck電動勢——熱電動勢，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恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(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，只要該材料兩個接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時，可接入測量儀表，測得熱電動勢后，即可知道被測介質(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，在回路中*會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶*是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），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，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。

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)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個問題：

1、熱電偶的熱電勢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)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；

3、當(dāng)熱電偶的兩個熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢的大小，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，回路中會產(chǎn)生一個電勢，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具有瑞典血統(tǒng)的德國人，也許正因?yàn)槿绱?，他鼓勵兒子在他曾?jīng)學(xué)習(xí)過的柏林學(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)識了歌德。德國浪漫主義運(yùn)動以及歌德反對牛頓關(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)是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學(xué)對太陽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，他卻不曉得另外兩個科學(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，主要內(nèi)容是電流通過導(dǎo)體時對鋼鐵的磁化。當(dāng)時，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對鋼鐵的磁化效應(yīng)，貝塞克對不同金屬進(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)在所說的磁滯現(xiàn)象。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發(fā)光、太陽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)成一個電流回路。他將兩條導(dǎo)線首尾相連形成一個結(jié)點(diǎn)，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個結(jié)加熱到很高的溫度而另一個結(jié)保持低溫的話，電路周圍存在磁場。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個結(jié)時會有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來的兩年里時間（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，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)，但他卻做出了錯誤的解釋：導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場的原因，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。對于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，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，所以他們只會用“磁場由電流產(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。所以，多數(shù)人都認(rèn)可熱電效應(yīng)的觀點(diǎn)，后來也*這樣被確定下來了。

〔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)用場所。利用熱電效應(yīng)，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶）來測量溫度。只要選用適當(dāng)?shù)慕饘僮鳠犭娕疾牧希?可輕易測量到從-180℃到+2000℃的溫度，如此寬泛的測量范圍，令酒精或水銀溫度計(jì)望塵莫及。現(xiàn)在，通過采用鉑和鉑合金制作的熱電偶溫度計(jì)，甚至可以測量高達(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是由兩個結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，也*是說VOUT是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。

熱電偶的型號解釋

溫度測量范圍和允許誤差

熱響應(yīng)時間

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

□型號表示

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，測量常溫絕緣電阻的大氣條件為溫度15-35℃，相對濕度45%，大氣壓力86～106kPa。對于長度超過1米的熱電偶它的常溫絕緣電阻值與其長度的乘積應(yīng)不小于100MΩ?！　?/span>

熱電偶的上限溫度絕緣電阻應(yīng)不小于下表現(xiàn)定：