【正文】 回路 ， 若導(dǎo)體 A和 B的連接處溫度不同 （ 設(shè)T＞ T0） ， 則在此閉合回路中就有電流產(chǎn)生 ， 也就是說回路中有電動勢存在 ， 這種現(xiàn)象叫做 熱電效應(yīng) 。 這種現(xiàn)象早在 1821年首先由西拜克（ See－ back） 發(fā)現(xiàn) ,所以又稱西拜克效應(yīng) 。 一、熱電偶的工作原理 回路中所產(chǎn)生的電動勢 ， 叫熱電勢 。熱電勢由兩部分組成 ， 即 溫差電勢和接觸電勢 。 熱端 冷端 1. 接觸電勢 + A B T eAB(T) BAAB NNekTTe ln)( ?eAB(T)——導(dǎo)體 A、 B結(jié)點在溫度 T 時形成的接觸電動勢； e——單位電荷， e = 1019C； k——波爾茲曼常數(shù)， k = 1023 J/K ； NA、 NB ——導(dǎo)體 A、 B在溫度為 T 時的電子密度。 接觸電勢的大小與溫度高低及導(dǎo)體中的電子密度有關(guān)。 A eA(T,To) To T eA(T， T0)——導(dǎo)體 A兩端溫度為 T、 T0時形成的溫差電動勢； T， T0——高低端的絕對溫度； σA——湯姆遜系數(shù)，表示導(dǎo)體 A兩端的溫度差為 1℃ 時所產(chǎn)生的溫差電動勢，例如在 0℃ 時，銅的 σ =2μV/℃ 。 2. 溫差電勢 dTTTe TT AA ??0),( 0 ?溫差電勢原理圖 由導(dǎo)體材料 A、 B組成的閉合回路 ， 其接點溫度分別為 T、T0,如果 T＞ T0， 則必存在著兩個接觸電勢和兩個溫差電勢 ， 回路總電勢： ??BTATNNekT ln ?00ln0BTATNNekTdTTT BA? ??0)( ??3. 回路總電勢 ),(),()()(),( 0000 TTeTTeTeTeTTE BAABABAB ????NAT、 NAT0——導(dǎo)體 A在結(jié)點溫度為 T和 T0時的電子密度； NBT、 NBT0——導(dǎo)體 B在結(jié)點溫度為 T和 T0時的電子密度； σA 、 σB——導(dǎo)體 A和 B的湯姆遜系數(shù)。 根據(jù)電磁場理論得 結(jié)論 (4點 )： EAB(T,T0)=EAB(T )EAB(T0 )=f(T )C=g(T ) 由于 NA、 NB是溫度的單值函數(shù) dTNNekTTE TT BAAB ??0ln),( 0在工程應(yīng)用中，常用實驗的方法得出溫度與熱電勢的關(guān)系并做成表格，以供備查。由公式可得： EAB(T, T0)= EAB(T)EAB(T0) = EAB(T)EAB(0)[EAB(T)EAB(T0)] = EAB(T， 0)EAB(T0， 0) 熱電偶的熱電勢，等于兩端溫度分別為 T 和零度以及 T0和零度的熱電勢之差。 導(dǎo)體材料確定后 ， 熱電勢的大小只與熱電偶兩端的溫度有關(guān) 。 如果使 EAB(T0)=常數(shù) ， 則回路熱電勢 EAB(T， T0)就只與溫度 T有關(guān) ， 而且是 T的單值函數(shù) ， 這就是利用熱電偶測溫的原理 。 只有當(dāng)熱電偶兩端溫度不同 ,熱電偶的兩導(dǎo)體材料不同時才能有熱電勢產(chǎn)生。 熱電偶回路熱電勢只與組成熱電偶的材料及兩端溫度有關(guān)；與熱電偶的長度、粗細(xì)無關(guān)。 只有用不同性質(zhì)的導(dǎo)體 (或半導(dǎo)體 )才能組合成熱電偶；相同材料不會產(chǎn)生熱電勢，因為當(dāng) A、 B兩種導(dǎo)體是同一種材料時， ln(NA/NB)=0，也即EAB(T， T0)=0。 對于有幾種不同材料串聯(lián)組成的閉合回路 ， 接點溫度分別為 T T2 、 … 、 Tn ， 冷端溫度為零度的熱電勢 。 其熱電勢為 E= EAB（ T1） + EBC（ T2） +… +ENA（ Tn） 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路 ， 不論其導(dǎo)體是否存在溫度梯度 ， 回路中沒有電流 (即不產(chǎn)生電動勢 )；反之 ， 如果有電流流動 ， 此材料則一定是非均質(zhì)的 ， 即熱電偶必須采用兩種不同材料作為電極 。 二、熱電偶回路的性質(zhì) 1. 均質(zhì)導(dǎo)體定律 E總 =EAB（ T） +EBC（ T） +ECA（ T） = 0 三種不同導(dǎo)體組成的熱電偶回路 T A B C T T 2. 中間導(dǎo)體定律 一個由幾種不同導(dǎo)體材料連接成的閉合回路，只要它們彼此連接的接點溫度相同，則此回路各接點產(chǎn)生的熱電勢的代數(shù)和為零。 如圖，由 A、 B、 C三種材料組成的閉合回路，則 兩點結(jié)論： l） 將第三種材料 C接入由 A、 B組成的熱電偶回路 ， 如圖 ， 則圖 a中的 A、 C接點 2與 C、 A的接點 3， 均處于相同溫度 T0之中 ， 此回路的總電勢不變 ， 即 同理 ， 圖 b中 C、 A接點 2與 C、 B的接點 3， 同處于溫度 T0之中 ， 此回路的電勢也為： T2 T1 A a B C 2 3 EAB a A T0 2 3 A B EAB T1 T2 C T0 EAB（ T1, T2） =EAB（ T1） EAB（ T2） (a) (b) T0 T0 EAB(T1,T2)=EAB(T1)EAB（ T2） 第三種材料接入熱電偶回路圖 E T0 T0 T E T0 T1 T1 T 根據(jù)上述原理，可以在熱電偶回路中接入電位計 E，只要保證電位計與連接熱電偶處的接點溫度相等，就不會影響回路中原來的熱電勢，接入的方式見下圖所示。 EAB（ T, T0） = EAC（ T, T0） + ECB（ T, T0） 2）如果任意兩種導(dǎo)體材料的熱電勢是已知的，它們的冷端和熱端的溫度又分別相等，如圖所示，它們相互間熱電勢的關(guān)系為： 3. 中間溫度定律 如果不同的兩種導(dǎo)體材料組成熱電偶回路 ,其接點溫度分別為 T T2(如圖所示 )時 ,則其熱電勢為 EAB(T1, T2)；當(dāng)接點溫度為 T T3時 ， 其熱電勢為 EAB(T2, T3)；當(dāng)接點溫度為 T T3時 ， 其熱電勢為 EAB(T1, T3)， 則 B B A T2 T1 T3 A A B EAB（ T1, T3） =EAB（ T1, T2） +EAB（ T2, T3） EAB（ T1,T3） =EAB（ T1, 0） +EA B（ 0, T3） =EAB（ T1, 0） EAB（ T3, 0） =EAB（ T1） EAB（ T3） A B T1 T2 T2 A’ B’ T0 T0 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接線圖 E 對于冷端溫度不是零度時，熱電偶如何分度表的問題提供了依據(jù)。如當(dāng) T2=0℃ 時，則： 只要 T T0不變，接入 AˊBˊ后不管接點溫度 T2如何變化，都不影響總熱電勢。這便是引入補(bǔ)償導(dǎo)線原理。 EAB=EAB(T1)–EAB(T0) 說明：當(dāng)在原來熱電偶回路中分別引入與導(dǎo)體材料 A、B同樣熱電特性的材料 A′、 B′(如圖 )即引入所謂補(bǔ)償導(dǎo)線時，當(dāng) EAA?(T2)=EBB?(T2)，則回路總電動勢為 熱電偶材料應(yīng)滿足： ? 物理性能穩(wěn)定 ， 熱電特性不隨時間改變； ? 化學(xué)性能穩(wěn)定 ， 以保證在不同介質(zhì)中測量時不被腐蝕； ? 熱電勢高 ， 導(dǎo)電率高 ， 且電阻溫度系數(shù)小； ? 便于制造； ? 復(fù)現(xiàn)性好 ， 便于成批生產(chǎn) 。 三、熱電偶的常用材料與結(jié)構(gòu) 1． 鉑 —鉑銠熱電偶 (S型 ) 分度號 LB—3 工業(yè)用熱電偶絲： ， 實驗室用可更細(xì)些 。 正極：鉑銠合金絲 ,用 90％ 鉑和 10％ 銠 (重量比 )冶煉而成 。 負(fù)極：鉑絲 。 測量溫度：長期： 1300℃ 、 短期： 1600℃ 。 特點： ? 材料性能穩(wěn)定 ， 測量準(zhǔn)確度較高；可做成標(biāo)準(zhǔn)熱電偶 或基準(zhǔn)熱電偶 。 用途：實驗室或校驗其它熱電偶 。 ? 測量溫度較高 ， 一般用來測量 1000℃ 以上高溫 。 ? 在高溫還原性氣體中 （ 如氣體中含 Co、 H2等 ） 易被侵 蝕 ， 需要用保護(hù)套管 。 ? 材料屬貴金屬 ， 成本較高 。 ? 熱電勢較弱 。 （一）熱電偶常用材料 2． 鎳鉻 —鎳硅 (鎳鋁 )熱電偶 (K型 ) 分度號 EU—2 工業(yè)用熱電偶絲： ~， 實驗室用可細(xì)些 。 正極：鎳鉻合金 (用 ～ ％ 鎳 、 9～ 10％ 鉻 ， ％硅 ， ％ 錳 ， ～ ％ 鈷冶煉而成 )。 負(fù)極：鎳硅合金 (用 ～ 97％ 鎳 ,2～ 3％ 硅 ,～ ％ 鈷冶煉而成 )。 測量溫度：長期 1000℃ ， 短期 1300℃ 。 特點： ? 價格比較便宜 ， 在工業(yè)上廣泛應(yīng)用 。 ? 高溫下抗氧化能力強(qiáng) ， 在還原性氣體和含有 SO2， H2S等氣體中易被侵蝕 。 ? 復(fù)現(xiàn)性好 ， 熱電勢大 ， 但精度不如 WRLB。 3． 鎳鉻 —考銅熱電偶 (E型 ) 分度號為 EA—2 工業(yè)用熱電偶絲 :～ 2mm， 實驗室用可更細(xì)些 。 正極：鎳鉻合金 負(fù)極：考銅合金 （ 用 56％ 銅 ， 44％ 鎳冶煉而成 ） 。 測量溫度：長期 600℃ ， 短期 800℃ 。 特點： ? 價格比較便宜 ， 工業(yè)上廣泛應(yīng)用 。 ? 在常用熱電偶中它產(chǎn)生的熱電勢最大 。 ? 氣體硫化物對熱電偶有腐蝕作用。考銅易氧化變 質(zhì)，適于在還原性或中性介質(zhì)中使用。 4． 鉑銠 30—鉑銠 6熱電偶 (B型 ) 分度號為 LL—2 正極：鉑銠合金 （ 用 70％ 鉑 ， 30％ 銠冶煉而成 ） 。 負(fù)極：鉑銠合金 （ 用 94％ 鉑 ， 6％ 銠冶煉而成 ） 。 測量溫度：長期可到 1600℃ ， 短期可達(dá) 1800℃ 。 特點： ? 材料性能穩(wěn)定 ， 測量精度高 。 ? 還原性氣體中易被侵蝕 。 ? 低溫?zé)犭妱輼O小 ， 冷端溫度在 50℃ 以下可不加補(bǔ)償 。 ? 成本高。 幾種持殊用途的熱電偶 （ 1） 銥和銥合金熱電偶 如銥 50銠 —銥 10釕熱電偶它能在氧化氣氛中測量高達(dá) 2100℃ 的高溫 。 （ 2） 鎢錸熱電偶 是 60年代發(fā)展起來的 ， 是目前一種較好的高溫?zé)犭娕?， 可使用在真空惰性氣體介質(zhì)或氫氣介質(zhì)中 ， 但高溫抗氧能力差 。 國產(chǎn)鎢錸 鎢錸 20熱電偶使用溫度范圍 300～ 2022℃ 分度精度為 1％ 。 （ 3） 金鐵 — 鎳鉻熱電偶 主要用在低溫測量 ， 可在2～ 273K范圍內(nèi)使用 ， 靈敏度約為 10μV／ ℃ 。 （ 4） 鈀 — 鉑銥 15熱電偶 是一種高輸出性能的熱電偶 ， 在 1398℃ 時的熱電勢為 ， 比鉑 —鉑銠 10熱電偶在同樣溫度下的熱電勢高出 3倍 ， 因而可配用靈敏度較低的指示儀表 ， 常應(yīng)用于航空工業(yè) 。 （ 6）銅 — 康銅熱電偶，分度號 MK 熱電偶的熱電勢略高于鎳鉻 鎳硅熱電偶，約為 43μV/℃ 。復(fù)現(xiàn)性好，穩(wěn)定性好，精度高，價格便宜。缺點是銅易氧化，廣泛用于 20K～473K的低溫實驗室測量中。 （ 5）鐵 — 康銅熱電偶，分度號 TK 靈敏度高，約為 53μV/℃ ，線性度好，價格便宜，可在 800℃ 以下的還原介質(zhì)中使用。主要缺點是鐵極易氧化，采用發(fā)藍(lán)處理后可提高抗銹蝕能力。 （ 二 ） 常用熱電偶的結(jié)構(gòu)類型 1． 工業(yè)用熱電偶 下圖為典型工業(yè)用熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖。它由熱電偶絲、絕緣套管、保護(hù)套管以及接線盒等部分組成。實驗室用時，也可不裝保護(hù)套管，以減小熱慣性。 工業(yè)熱電偶結(jié)構(gòu)示意圖 1－接線盒； 2－保險套管 3― 絕緣套管 4― 熱電偶絲 1 2 3 4 (a) (b) (c) (d) 1 3 2 2． 鎧裝式熱電偶 （ 又稱套管式熱電偶 ） 優(yōu)點是小型化 （ 直徑從12mm到 ） 、 壽命 、熱慣性小 ， 使用方便 。 測溫范圍在 1100℃ 以下的有：鎳鉻 —鎳硅 、 鎳鉻 —考銅鎧裝式熱電偶 。 斷面如圖所示。它是由熱電偶絲、絕緣材料，金屬套管三者拉細(xì)組合而成一體。又由于它的熱端形狀不同，可分為四種型式如圖。 圖 鎧裝式熱電偶斷面結(jié)構(gòu)示意圖 1— 金屬套管 。 2—絕緣材料 。 3—熱電極 (a)—碰底型 。 (b)—不碰底型 。 (c)—露頭型 。 (d)—帽型 3．快速反應(yīng)薄膜熱電偶 用真空蒸鍍等方法使兩種熱電極材料蒸鍍到絕緣板上而形成薄膜裝熱電偶。如圖，其熱接點極薄 (～ ) 4 1 2 3 快速反應(yīng)薄膜熱電偶 1—熱電極 。 2—熱接點 。 3—絕緣基板 。 4—引出線