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热电偶的测温原理摘要：通过对金属的接触电动势和温差电动势来进行简化的数学推导，从根源来阐述热电偶的工作原理，并通过实验来简化。从而系统地解释了热电偶的输入量（温度）和输出量（电流，电压）的线性关系。以及热电偶的选型要求，和材料性能。关键词：热电效应、电动势、选型、材料；0引言温度测量是通过某些测温物质的各种物理性能变化，例如固体的 尺寸,密度,硬度粘度,电导率,热辐射等的变化来判断被测物体的温度。在许多测量方法中，热电偶测温的应用为最广泛之一。主要优点： ①接触式测温，准确度较高；②结构简单，体积小，安装方便；③测量范围广：-150oC----1600oC，采用特殊材料时可达2800oC。④热容量小，响应速度快，热电极不受形状限制热电偶传感器的工作原理1.1 热电效应 如图1所示，由两种导体A,B 构成一个闭合回路，使两端结点处于不同温度下。回路中便产生热电势和电流。这种物理现象称为热电效应。图 1定义：导体A，B为热电极； 测温结点处在T温度场下为测量端，或工作端，热端。 结点处在To温度场下为参考端，或自由端，冷端。 1.2 热电偶中的电势1.2.1接触电势（伯尔帖电势） 互相接触的两种金属导体内部因自由电子密度不同，当接触时两种导体在接触界面上会发生电子扩散。电子扩散的速率与自由电子的密度及金属所处的温度呈正比。假定,金属A的自由电子的密度为NA,金属B的自由电子的密度为NB. 自由电子的密度大的向自由电子的密度小的方向扩散。 失去电子一方带正电，得到电子一方带负电。 这种扩散运动逐渐在界面上建立电势，类似于势垒，它又阻碍自由电子进一步扩散，产生了一个动态平衡。图 2 接触电势的关系式： 图 3K:波尔兹曼常数 J/K T:接触界面处的温度 e:电子电荷量 C NA,NB分别为金属A,B的自由电子密度. 对于To结点有: 回路总接触电势: ?当T=To,或A，B导体同质材料时，则回路总接触电势为零。1.2.2 温差效应.(汤姆逊电势) 在一根匀质的金属导体,若两端的温度不同,则在导体的内部也会产生电势,称温差效应。温差电势的形成是由于温度高的一端自由电子的动能大于温度低的一端自由电子的动能。高温端自由电子必然向低温端方向迁移。同样地,高温端失去自由电子带正电，低温端得到电子带负电,内部形成电势。这种迁移也回达到动态平衡也会达到动态平衡。 图 4温差电势的表达式: 温差电势（汤姆逊电势）（如图5）图 5 δ——汤姆逊系数，它表示温度为1℃时所产生的电动势值，它与材料的性质有关。 同样B端回路总温差电势: （如图6） 图 6显然,当T=To,或A,B导体同质材料时，则回路总温差电势为零。热电偶的总电势: （图7）图 7实验和理论均以证明：由于温差电势比接触电势小热电偶回路的热电动势主要是由接触电势引起的。所以回路总电势为：如上式所示，热电偶回路总电动势与两点接点温度与两种导体的电子密度有关。当热电偶导体材质确定之后，把冷端温度固定起来，那么热电偶回路总电动势仅同热端温度构成单值函数了。因此就可以用测量到的热电势E来得到对应的温度值T，热电偶热电势的大小，只是与导体A和B的材料有关,与冷热端的温度有关，与导体的粗细长短及两导体接触面积无关。2 热电偶的基本定律 2.1 均匀回路定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。热电偶必须采用两种不同材料的导体组成，热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非匀质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。2.2 中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。（图 8）图 8利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证中间导体两端的温度相同，则对热电偶的热电动势没有影响。2.3 中间温度定律 当热电偶两个接点的温度分别为T和T0时，所产生的热电势等于该热电偶两接点温度为T、Tn和Tn、T0时所产生的热电势之代数和，即:图 92.4 标准电极定律已知两个导体A、B分别与另一导体C组成的热电偶的热电势已知 ，则在相同接点温度(T,T0)下，由A、B电极组成的热电偶的热电势 EAB(T,T0)为:图 10由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。3 热电偶的选型与材料常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。⑴标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许