来宝网 2014/1/14点击1095次
热电偶的原理可用图1-1来说明。当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时，若两个接点温度不同，回路中就会出现热电动势，并产生电流。
从物理上看，这一热电动势包括接触电动势和温差电动势两部分，但主要是由接触电动势组成的。当两种不同导体A、B接触时，由于两边的自由电子密度不同，在交界面上产生电子的相互扩散。若A中自由电子密度大于B中的密度，那么在开始接触的瞬间，从A向B扩散的电子数目将比B向A扩散的多，使A失去较多的电子而带正电荷，相反，B带负电荷。致使在A、B接触处产生电场，以阻碍电子在B中的进一步积累，最后达到平衡。平衡时，在A、B两导体间的电位差称为接触电动势，其数值决定于两种材料的种类和接触点的温度。
图1-1表示的热电偶回路中，在温度不同的两个接点上，分别存在两个数值不同的接触电动势e AB(T)及e AB(T0)，回路中的总电动势为
对一定的热电偶材料，若将一端温度T0维持恒定(这个接点称为自由端或冷端)，而将另一端插在需要测温的地方，则热电动势E为测温端温度T(这个接点又称为工作端或热端)的单值函数，用电表或仪器测定此热电动势的数值，便可确定被测温度T。
在实际使用热电偶测温时，总要在热电偶回路中插人测量仪表和使用各种导线进行连接，也就是说总要在热电偶回路中插人其他种类的导体。下面研究插人另一种导体是否影响热电动势E的数值。在图1-2中，除热电偶两种材料A、B外，又插人第三种导体C组成闭合回路，设A、B的接触点温度为T，A、C和B、C两处接触点的温度为T0，则回路中总电动势为
若各接点温度都相同，即T=T0，则由热力学第二定律可推断，此时总电动势E必为零。因为此时如果有电动势E存在，必有电流流动，使回路中某一部分加热。在没有外界做功的条件下，这种热量自动由温度低处流向高处的现象是不可能发生的。
这仍然是式(l-l)的结果。由此可知，只要接人第三种导体的两个连接点温度相等，它的接入对回路电动势毫无影响。这一结论在使用上有着重要的意义。据此，我们可放心地在温度相同的电路中插人各种仪表和导线进行测量。
下面讨论热电偶的材料。原则上说，随便两种不同的导体焊在一起，都会出现热电动势。这并不是说所有热电偶都具有实用价值，能被大量采用的材料必须在测温范围内具有稳定的化学及物理性质，热电动势要大，且与温度接近线性关系。
为统一各国生产的热电偶种类及其特性，以便互换和替代，国际电工委员会(IEC)于1977年制定了热电偶的国际标准，规定了标准的热电动势一温度特性分度表。此前，我国长期按前苏联的国家标准生产热电偶，IEC标准推出后，我国决定按国际标准生产，并制定了相应的我国国家标准，从1986年起，在生产和使用中全面贯彻新的国家标准。表1一1列出了儿种常用的我国标准型热电偶的材料、分度号及主要特性。
表1-1中，铂及其合金属于贵重金属，其组成的热电偶价格很贵。它的优点是热电动势非常稳定，故主要用作标准热电偶及测量1100℃以上的高温。在普通金属热电偶中，镍铬一镍硅的电动势温度关系线性度最好，镍铬一康铜的灵敏度最高，铜一康铜的价格最便宜。除表中所列出的常用热电偶外，我国还能生产许多新型热电偶，如可用来测量2800℃的钨徕超高温热电偶，以及测一270℃的金铁一镍铬低温热电偶等。
热电偶测温的误差，在低温段为1一2.5℃，高温段相对误差为0.25%—1%。例如，Ⅰ级铂铑10一铂热电偶在0一1100℃间的允许误差为±l℃，温度高于1100℃时约为±0.4%T(℃)。使用热电偶时必须十分注意其适用条件，在有害的气氛环境下，热电特性会急剧变化，产生很大的测量误差。图1-3给出了几种常用的热电偶特性。
为了延长热电偶的使用寿命，常在热电偶丝外面套上金属或石英、陶瓷等制成的保护套管，以隔离有害气体和物质对热电偶的损害。但加套管后，热电偶测温的滞后性加大。根据结构的不同，一般热电偶的时间常数为1.5一4分钟。特殊结构的小惯性热电偶的时间常数约为几秒，快速薄膜热电偶的时间常数则为毫秒级。
热电偶的热电动势大小不仅与测量端温度有关，还决定于自由端(冷端)的温度。所以，使用热电偶时常需保持冷端温度恒定，例如将冷端置于冰瓶内，由冰水混合物保证0℃的稳定温度。在工业测量仪表中，通常在电路中引人一个随冷端温度变化的附加电动势，自动补偿冷端温度的变化，以保证测量精度。考虑到冷端恒温器或电动势补偿装置通常离测量点较远，在使用较贵的热电偶时，如果全用热偶丝从测量点引至恒温器，代价将太高。为了节约，工业上选用在较低温度下(l00 ℃以下)与所用热电偶的热—电特性相近的廉价金属，作为热偶丝在低温区的替代品，称为补偿导线，其接法如图1-4所示。这样，热偶丝只要引至温度
100℃以下的地方，其余的长度可用廉价的补偿导线来延伸。例如，贵金属铂锗一铂热电偶，可用铜(正极)和铜镍合金(负极)作补偿导线，将冷端延伸到离测点较远的地方。工业上，各种补偿导线有规定的显著颜色可供辨认，使用时要注意正负极性不能接错。
