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第五章 热电偶传感器
第一节 热电偶工作原理
第二节 热电偶的材料、结构及种类
第三节 热电偶的冷端补偿
第四节 热电偶测温线路
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第七章 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。
第一节 热电偶工作原理
一、热电效应
（Seebeck）效应(热电效应)
1821年赛贝尔发现了铜、铁这两种金属的温差电现象。即在这两种金属构成的闭合回路中，对两个接头的中一个加热即可产生电流。在冷接头处，电流从铁流向铜。
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热电效应：将两种不同成分的导体组成一个闭合回路，见图5-1。当闭合回路的两个接点分别置于不同的温度场中时，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。
热电偶：两种导体组成的回路称为热电偶
热电极:这两种导体称为“热电极”.
热电动势:产生的电动势则称为热电动势。
热电偶的两个接点:一个为工作端或热端，
另一个为自由端或冷端。

实验指出，当A、B两种不同的金属所构成的热电偶的两端温度分别为T(热端温度)和T0（冷端温度）时，温差热电势为：
mA
铜铁热电偶的温差热电势与温度关系曲线
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多数的金属材料εAB在10-2 V～10-3 V 。而其 a 约为10-6伏/度，b 约为10-8伏/度，所以在即在。温度不太高温差不太大、精度要求不高时可以近似认为：
（经典电子论）
⑴ 接触电势（电位差） 珀耳帖（Peltier）电势
A
B
T0
T
接触电势
产生原因：
① 不同金属的逸出功(电势)不同。
② 不同金属单位体积内自由电子数目不同。
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⑵ 温差电势 ——汤姆逊（Thomoson）电势
A
B
T0
T
温差电势
T >T0
产生原因：金属导体两端的温度不同，则其自由电子的浓度亦不相同，温度高的一端浓度较大（动能较大，大于逸出功的电子数目较多），因此高温端的自由电子将向低温端扩散，高温端失去电子带正电，低温端得到多余的电子带负电，从而形成温差电势差：
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。
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⑶ 总温差热电势
根据经典电子论，总温差热电势应为接触电势与温差电势之和。
a
b
赛贝尔（Seebeck）效应
A
B
T0
T
总温差热电势
T >T0
经实践证明，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，故上式可以写成
)
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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
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，
这一关系式在实际测温中得到了广泛应用。因为冷端t0恒定，热电偶产生的热电动势只随热端(测量端)温度的变化而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。我们只要用测量热电动势的方法就可达到测温的目的。
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二、热电偶的基本定律
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。
此定律应用：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。
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。
见图5-2，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
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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