10.1 热电偶测温原理在线视频

各位同学

大家好

我是天津大学机械工程学院

工程中的流动测试

理论与方法的主讲老师李敏霞

今天由我来给大家讲述

热电偶温度计这一章节的内容

那么首先我们来先看一下热电偶的历史

1821年 西贝克在实验室发现呢

铋－铜 铋－锑电路

存在着热电流的现象

同时 贝克勒呢也证明了

铂－钯热电偶可以用来测量温度

珀尔贴呢

发现不同的热电偶丝配制成的接点

如果直接通过外加的小电流

就会产生奇怪的热电效应

那么威廉汤姆逊呢

也证明了这种热效应

由此呢 热电学理论就发展起来了

那么我们看一下热电偶

它的种类有很多

这里面呢主要是有铜/康铜组合

也称为T型热电偶

有铂/铂铑合金

那么根据不同的铂铑合金的比例呢

分为S型

R型

B型

还有镍铬/镍铝热电偶

那么它是K型

还有钨－铼热电偶

用于测量极高温的温度

还有金铁热电偶用于测量深低温

同时呢 不同的公司呢

他们也有自己推出的热电偶

那么里面呢

金属呢 它的含量呢不同

那么它们都有适合的测量温度范围

那么我们会发现热电偶呢

它都是由两种不同的金属组成的

所以呢我们来看一下

它为什么需要两种不同的金属来组成

那么热电偶呢

是目前世界上科研和生产中应用

最普遍最广泛的温度测量元件

它是将温度信号转换成电信号

也就是电势信号

配以测量毫伏的仪表

或者变送器

可以实现温度的测量

或温度信号的转换

热电偶呢它具有结构简单

制作方便

测量范围宽

准确度高

性能稳定

复现性好

体积小

响应时间短的各种优点

它既可以用于流体温度的测量

也可以用于固体温度测量

既可以测量静态温度

也能测量动态温度

因此呢 它的应用范围呢

是非常广的

同时呢 由于热电偶呢

直接输出直流电压信号

便于测量以及信号传输

还有呢 自动记录和控制

所以在生产中呢

以及科研中呢

都被广泛应用

那么下面呢 我们来介绍一下

热电偶的测温的基本原理

主要呢 是三个效应

四个定律

那么三个效应呢

是西贝克效应

也称为塞贝克效应

还有呢 是珀尔贴效应

以及汤姆森效应

那么四个定律呢

是均质导体定律

中间导体定律

中间温度定律

连接导体定律

那么我们下面来看一下西贝克效应

那么西贝克效应呢

是西贝克这位科学家在实验室里

他发现呢两个不同的导体

也就是A和B组成一个电路

并且呢

把它的接点温度

分别设定为T1和T2

在这里面呢 是T2高于T1的

那么电路呢就会有电流流过

流动的方向呢

就按图里面的箭头的方向

是逆时针的

如果把金属丝A上有一个断开

那么会发现呢

在这部分呢会产生电势

那么又叫做西贝克电压

那么西贝克电压呢可以进行计算

那么通过公式

那么就可以进行计算

那么其中呢

下角标为小AB为材料AB

在温度T下的西贝克系数

那么如果AB材料

它们的西贝克系数不知道

那么我们可以通过呢

其他的材料来进行推算

比如说材料A和R

它的西贝克系数是知道的

以及R和B之间的西贝克系数已知

那么AB材料的西贝克系数呢

就通过这两个值的累加

然后进行（运算）得到了

那么我们再看珀尔贴效应

它呢也是两种不同的金属构成闭合回路

当回路中存在直流电流时呢

两个接头之间将产生温差

那就是所谓的珀尔贴效应

又称为呢接触电势

这个是第二个效应

那么我们再来看第三个效应

汤森效应

它呢是指

当电流在温度不均匀的导体中流过时

导体除了产生不可逆的焦耳热之外

还要吸收或放出一定的热量

当单位电荷通过温度梯度为1K的单一导体

导体中所产生的热融变化

产生的电动势

又称汤姆森电动势

那么我们乍一看

这个汤姆森效应和珀尔贴效应

好像似乎很类似

在珀尔帖效应里面呢

它是由两根导体组成的

那么它会接点处产生吸热和放热的效应

但是汤姆森效应不一样

它是一根导体

那么在有温度梯度情况下

那么也会产生吸收或放出热量的现象

那么它产生的热量呢可以进行计算

我们看一下公式

那么Q呢

可以用珀尔贴系数

然后产生的电流

以及呢 时间

然后进行计算

珀尔贴系数呢

那么与汤姆森系数之间的关系

我们可以用第二个公式来进行计算

不同温度之间产生的电动势

那么也可以进行计算

利用汤姆森系数来进行计算

那么我们是怎么来用热电偶来进行测温的呢

那么两种不同的导体A和B组成闭合回路

如下图所示

当A和B相接的两个接点温度

T和T_0不同时

则在回路中就会产生一个电势

这种现象叫做热电效应

由此效应产生的电势

通常称为热电势

用E_AB（T，T_0）来表示

那么T呢

是为工作端的

称为热端

那么T_0呢为参考端

称为冷端

那么图中的闭合回路呢

称为热电偶

也就是由两个导体

也就是导体A和B共同组成的

那么每一个导体呢

又称为热电偶的热点极

那么热电偶的两个接点放到被测介质中

那么这个接点呢

就是工作端或热端

温度为参考温度T_0的一端呢

为参考端或冷端

那么热电偶产生的热电势

由两部分组成

是接触电势和温差电势

那么接触电势

两个导体由于基础电动势不同

相接触就会产生接触电势

那么这就是我们之前说的珀尔贴效应

那么珀尔贴效应

它里面描述的就是

把两个导体组成回路

它的接点放在不同温度情况下

那么会产生电势

那么这个电势就是接触电势

那么它是由E_AB(T)来表示

那么它的数值呢

可以用下面这个公式来进行表示

其中呢e为单位电荷

K呢为玻尔兹曼常数

N_A（T）

N_B（T）为材料AB

在温度为T时的自由电子密度

那么T呢是AB接触点的温度

从理论上可以证明

该接触电势的大小和方向

主要取决于两种材料的性质

也就是说它的电子密度

和接触面温度的高低

温度越高

接触电势越大

两种导体

电子密度比值越大

接触电势也就越大

那么另外一个电势就是温差电势

温差电势呢

就是我们之前所说的汤姆森电动势

温差电势也可以用公式来表示

我们看将一个导体两端呢

放在不同的温度情况下

使它产生温度梯度

就会产生温差电势

那么这里面呢

是用E_A(T，T_0) 来表示

那么对于由A和B两种导体

组成的热电偶闭合回路

两端温度呢

它的接点呢

温度分别为T和T_0

且T>T_0

N_A>N_B

那么回路中呢

存在两个接触电势

即温度T下的E_AB

和温度T_0下的E_AB

还有呢两个温差电势

也就是说T和T_0下的E_A

T和T_0下的E_B

因此回路的总热电势为

E_AB（T）减去E_AB（T_0）

加上E_B（T，T_0）减去 E_A（T，T_0）

最后呢等于E_AB（T，T_0）

这样的话

就会得到整个回路的总电势

那么我们把之前的

接触电势和温差电势的公式

代入到这个式子里面进行整理

我们就能够得到总的电势的表达式

对于确定的材料A和B

那么N_A和N_B

与T的关系是已知的

那么上式呢就可以简化成

E_AB（T，T_0）=f(T) － f(T_0)

那么如果上式中

冷端温度T_0保持恒定

这时候 f(T_0)呢

那么我们可以用常数来表示

那么这个热电势呢

就是热端温度T的单值性函数

即E_AB(T,T_0)= f(T) －C

所以我们只要知道f(T)

它的变化情况

我们就可以得到总的热电势

有了总的热电势之后呢

我们就可以得到被测温度物体的它的温度T