熱電偶的工作原理及型號解釋

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，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。A）熱電偶測溫的基本原理是：兩種不同成份的材質導體組成閉合回路，當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。兩種不同成份的均質導體為熱電極，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。根據熱電動勢與溫度的函數關系，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的溫度相同，熱電偶所產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，即可知道被測介質的溫度。B）兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中*會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶*是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質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生的熱電勢。

熱電偶實際上是一種能量轉換器，它將熱能轉換為電能，用所產生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應注意如下幾個問題：

1、熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度函數的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數；

2、熱電偶所產生的熱電勢的大小，當熱電偶的材料均勻時，與熱電偶的長度和直徑無關，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關；

3、當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；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。

熱電偶的發展歷史

1821年，德國物理學家塞貝克發現，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當兩接觸處的溫度不同時，回路中會產生一個電勢，這*是熱電效應，也稱作塞貝克效應（Seebeck effect）。

Thomas Johann Seebeck（1780～1831）

〔發現者〕托馬斯·約翰·塞貝克1770年生于塔林（當時隸屬于東普魯士，現為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個具有瑞典血統的德國人，也許正因為如此，他鼓勵兒子在他曾經學習過的柏林學和哥廷根大學學習學。1802年，塞貝克獲得學學位。由于他所選擇的方向是實驗學中的物理學，而且一生中多半時間從事物理學方面的教育和研究工作，所以人們通常認為他是一個物理學家。

畢業后，塞貝克進入耶拿大學，在那里結識了歌德。德國浪漫主義運動以及歌德反對牛頓關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方面的理論研究。塞貝克的研究重點是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學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，正當塞貝克從事應力玻璃中的光偏振現象時，他卻不曉得另外兩個科學家布魯斯特和比奧已經搶先在這一領域里有了發現。

1818年前后，塞貝克返回柏林大學，獨立開展研究活動，主要內容是電流通過導體時對鋼鐵的磁化。當時，阿雷格（Arago）和大衛（Davy）才發現電流對鋼鐵的磁化效應，貝塞克對不同金屬進行了大量的實驗，發現了磁化的熾熱的鐵的不規則反應，也*是我們現在所說的磁滯現象。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發光、太陽光譜不同波段的熱效應、化學效應、偏振，以及電流的磁特性等等。

1820年代初期，塞貝克通過實驗方法研究了電流與熱的關系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導線連接在一起，構成一個電流回路。他將兩條導線首尾相連形成一個結點，他突然發現，如果把其中的一個結加熱到很高的溫度而另一個結保持低溫的話，電路周圍存在磁場。他實在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構成的一個結時會有電流產生，這只能用熱磁電流或熱磁現象來解釋他的發現。在接下來的兩年里時間（18222～1823），塞貝克將他的持續觀察報告給普魯士科學學會，把這一發現描述為“溫差導致的金屬磁化”。

塞貝克確實已經發現了熱電效應，但他卻做出了錯誤的解釋：導線周圍產生磁場的原因，是溫度梯度導致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。科學學會認為，這種現象是因為溫度梯度導致了電流，繼而在導線周圍產生了磁場。對于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，科學家們的眼睛讓奧斯特（電磁學的先驅）的經驗給蒙住了，所以他們只會用“磁場由電流產生”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：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導線周圍產生磁場。所以，多數人都認可熱電效應的觀點，后來也*這樣被確定下來了。

〔應用〕熱電效應發現后的1830年，人們*為它找到了應用場所。利用熱電效應，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶）來測量溫度。只要選用適當的金屬作熱電偶材料，*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望塵莫及。現在，通過采用鉑和鉑合金制作的熱電偶溫度計，甚至可以測量高達+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點，環路電壓VOUT為熱結點結電壓與冷結點（參考結點）結電壓之差。因為VH和VC是由兩個結的溫度差產生的，也*是說VOUT是溫差的函數。比例因數α對應于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數。

熱電偶的型號解釋

溫度測量范圍和允許誤差

熱響應時間

在溫度出現階躍變化時，熱電偶的輸出變化至相當于該變化的50%所需要的時間稱為熱響應時間，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管所能承受的靜態外壓而不破裂。實際上，容許工作壓力不僅與保護管材料、直徑壁厚有關，還與其結構形式、安裝方法、置入深度以及被測介質的流速和種類等有關。熱電偶*小置入深度應不小于其保護管外徑的8-10倍(特殊產品例外)。

熱電偶絕緣電阻（常溫）

常溫絕緣電阻的試驗電壓為直流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不小于100MΩ。　　

熱電偶的上限溫度絕緣電阻應不小于下表現定：