传感器与检测技术第05章 热电偶传感器

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第5章 热电偶传感器
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电
偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出
信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，
使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。
5.1 热电偶的工作原理与基本结构
5.1.1 热电偶的工作原理
5.1.1.1 工作原理
当有两种不同的导体或半导体 A和B组成一个回路，其两端相互连接时（如图 5.1.
1），只要两结点处的温度不同，一端温度为 T，称为工作端或热端，另一端温度为
T0 ，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和
大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回
路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”。
热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势，另一部分是单一导
体的温差电动势。
A
eAB(t) B
eA(t,t0)
eB(t,t0)
图5.1.1 热电偶回路
当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者
内部单位体积的自由电子数目不同 (即电子密度不同 )，
因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设
导体 A的自由电子密度大于导体 B的自由电子密度，
则导体 A扩散到导体 B的电子数要比导体 B扩散到导
体A的电子数大。所以导体 A失去电子带正电荷，导
体B得到电子带负电荷，于是，在 A、B两导体的接
触界面上便形成一个由 A到B的电场。该电场的方向
与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，
阻碍扩散作用的
继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体 A扩散到导体 B的自由电子数与在
电场作用下自导体 B到导体 A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态
下， A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的
材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于温度分别为 t和t0的两
接点，可得下列接触电动势公式
BtAtAB
U-U(t)e
Bt0At00AB
U-U)(te
(5-1-1)
式中 eAB(t,) 、 eAB(t0) 为导体 A 、 B 在接点温度 t 和 t0时形成的电动势； UAt 、 UAt0 分别为
导体 A 在接点温度为 t 和 t0时的电压； UBt 、 UBt0 分别为导体 B 在接点温度为 t 和 t0时的电
压。
对于导体 A或B，将其两端分别置于不同的温度场 t、t0中(t> t0)。在导体内部，热端的自
由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电
荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑
到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，
我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如下
式所示
0BtBt0B0AtAt0A
U-U)t(t,e U-U)t(t,e
(5-1-2)
式中， eA(t,t0) 、 eB(t,t0) 为导体 A 和 B 在两端温度分别为 t 和 t0时形成的电动势。
导体 A和B头尾相接组成回路，如果导体 A的电子密度大于导体 B的电子密度，
且两接点的温度不相等，则在热电偶回路中存在着四个电势，即两个接触电动势和两个
温差电动势。热电偶回路的总电动势为
)t(t,e-)t(t,e)(te-(t)e)t(t,E 0B0A0ABAB0AB (5-1-3)
实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部
分，可以忽略不计，故式(5-3) 可以写成
)(te-(t)e)t(t,E
0ABAB0AB
(5-1-4)
上式中，由于导体 A的电子密度大于导体 B的电子密度，所以 A为正极， B
为负极。脚注 AB 的顺序表示电动势的方向。不难理解：当改变脚注的顺序时，电
动势前面的符号(指正、负号 )也应随之改变。因此，式 (5-4) 也可以写成 )(te(t)e)t(t,E 0
A
BAB0AB
综上所述，我们可以得出如下结论：
热电偶回路中热电动势的大小，只与组成热电偶的导体材料和两接点的温度有关，而
与热电偶的形状尺寸无关。当热电偶两电极材料固定后，热电动势便是两接点温度 t 和
t0。的函数差。即
如果使冷端温度 t0保持不变，则热电动势便成为热端温度 t 的单一函数。即，
(5-1-5)
)f(t-f(t))t(t,E
00AB
(t)C-f(t))t(t,E
0AB
5.1.1.2 热电偶的特性
热电偶的主要特性如下：
① 稳定性 指热电偶的热电特性随使用时间变化小。
②不均匀性 指热电极的不均匀程度，所引起的附加热电势的大小，取决于沿热电极长度
的温度梯度分布状态、材料的不均匀形式和不均匀程度以及热电偶在温度场中所处的位置。
不均匀性降低测温的准确度，影响热电偶的稳定性和互换性。造成不均匀性的原因有杂质
分布不均，成份偏析，局部表面金属的挥发和氧化，局部的腐蚀和沾污，应力分布不均匀
和晶体结构不均匀等。
③热惰性 指被测介质从某一温度跃迁到另一温度时，热电偶测量端的温度上升到整个跃
迁的63.2% 所需的时间。
5.1.2 热电偶的基本定律
5.1.2.1 均质导体定律
如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。
根据这个定律，可以检验两个热电极材料成分是否相同 ( 称为同名极检验法 ) ，也可以检
查热电极材料的均匀性。
5.1.2.2 中间导体定律
在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电
动势不变。
如图 5.1.2，在热电偶回路中接人第三种导体 C。设导体 A 与 B 接点处的温度为 t ， A 与
C、 B 与 C两接点处的温度为 t0，则回路中的总电动势为
(5-1-6)
)(te)(te(t)e)t(t,E
0CA0BCAB0ABC
+
A
B
Ct
t
0
t
0
图5.1.2 热电偶中接入第三
种导体
如果回路中三接点的温度相同，即 t ＝t0，则回路总电动
势必为零，即
或者 (5-1-7)
将式 (5-7)代人式 (5-6) ，可得
(5-1-8)
0)(te)(te)(te
0CA0BC0AB
)(t-e)(te)(te
0CA0BC0AB
)(te-(t)e)t(t,E
0ABAB0ABC
可以用同样的方法证明，断开热电偶的任何一个极，用第三
种导体引入测量仪表，其总电动势也是不变的。
热电偶的这种性质在实用上有着重要的意义，它使我们可以
方便地在回路中直接接入各种类型的显示仪表或调节器，也可
以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金
属表面进行温度测量。
5.1.2.3 标准电极定律
如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电
动势已知，则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也
就已知。
如图 5-3 ，导体 A 、 B 分别与标准电极 C组成热电偶，若它
们所产生的热电动势为已知，即
那么，导体 A 与 B 组成的热电偶，其热电动势可由下式求得
(5-1-9)
)(te-(t)e)t(t,E
0ACAC0AC
)(te-(t)e)t(t,E
0BCBC0BC
)t(t,E-)t(t,E)t(t,E
0BC0AC0AB
+
A
t
t
0
+
t
t
0
+
t
t
0
CC
B B
A
图5.1.3 三种导体组成的热电
偶
标准电极定律是一个极为实用的定律。可以想象，纯金属的种类很多，而合金类型更
多。因此，要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势，其工作量是极大的。由于
铂的物理、化学性质稳定，熔点高，易提纯，所以，我们通常选用高纯铂丝作为标准电
极，只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势，则各种金属之间相互组合而成
的热电偶的热电动势可根据式 (5-9) 直接计算出来。
例如：热端为 100℃，冷端为 0℃时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为 2.
95mV ，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为 -4.0mV ，则镍铬和考铜组合而成的热
电偶所产生的热电动势应为
2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV
5.1.2.4 中间温度定律
热电偶在两接点温度 t 、 t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度为 t 、 tn和
tn、 t0时的相应热电动势的代数和。
中间温度定律可以用下式表示
(5-1-10)
中间温度定律为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导
体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，且
它们之间连接的两点温度相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后
的热电偶两端的温度有关。
)t,(tE)t(t,E)t(t,E
0nABnAB0AB
5.1.3 热电偶结构
5.1.3.1 普通工业装配式热电偶的结构
普通工业装配式热电偶作为测量温度的变送器，通常和显示仪表、记录仪表和电子调
节器配套使用。它可以直接测量各种生产过程中从 0℃到1800℃范围的液体、蒸汽和气体
介质以及固体的表面温度。热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等几个主要部
分组成，其常见外形结构如图 5.1.4 所示。
图5.1.4 常见普通工业装配式热电偶的外形结构
(1) 热电极 又称偶丝，它是热电偶的基本组成部分。普通金属做成的偶丝，其直径一
般为 0.5~3.2mm ，贵重金属做成的偶丝，直径一般为 0.3--0.6mm 。偶丝的长度则由使用情
况、安装条件，特别是工作端在被测介质中插入的深度来决定，通常为 300—2000mm ，常用
的长度为 350mm 。
摘要：

第5章热电偶传感器在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种有源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。5.1热电偶的工作原理与基本结构5.1.1热电偶的工作原理5.1.1.1工作原理当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时（如图5.1.1），只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产...

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