热电偶温度计热电现象和关于热电偶的基本定律热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。

它被广泛用于测量-200~1300℃范围内的温度。

在特殊情况下，可测至2800℃的高温或4K 的低温。

热电偶能把温度信号转变为电信号，便于信号的远传和多点切换测量，具有结构简单、制作方便、准确度高、热惯性小等优点。

1. 热电偶测温原理由两种不同的导体或半导体A 或B 组成的闭合回路，如果使两个接点处于不同的温度t 0、t ，则回路中就有电动势出现，称为热电势，这一现象称为热电效应。

热电势是温度t 0和t 的函数，恒定接点温度t 0，则热电势是温度t 的单值函数，只要测得热电势的大小，便可得到被测温度t 。

热电势由温差电势与接触电势组成。

温差电势：是指一根导体上因两端温度不同而产生的热电动势。

同一导体两端温度不同时，高温端（测量端、工作端、热端）电子的运动速度大于低温端电子（参比端、自由端、冷端）的运动速度，单位时间内高温端失电子带正电，低温端得电子带负电，高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。

该电场阻止高温端电子向低温端的动；加大低温端电子向高温端的运动速度，当运动达到动态平衡时，导体两端产生相应的电位差，该电位差称为温差电势。

温差电势的方向：由低温端指向高温端。

温差电势的大小：，()dt dtt N d N e k t t e t tt t )(1,00⎰=，式中k 为波尔兹曼常数；e 为电子电量t N 为导体内的电子密度，是温度的函数；t 、to 是导体两端的温度。

可见温差电势的大小与导体的性质和导体两端温度有关，而与导体长度、截面大小以及沿导体长度方向的温度分布无关。

热端 测量端 工作端冷端自由端参比端热电极B(e AB ()0t AB (,t t e (0,t t e B热电偶回路的总电势接触电势：是在两种不同材料A 和B 的接触点产生的。

A 、B 材料有不同的电子密度，设导体A 的电子密度n A 大于导体B 的电子密度n B ，则从A 扩散到B 的电子数要比从B 扩散到A 的多，A 因失电子而带正电荷，B 因得电子而带负电荷，于是在A 、B 的接触面上便形成一从A 到B 的静电场。

这个静电场将阻碍电子的扩散运动，诱发电子的漂移运动，当扩散与漂移达到动态平衡时，在A 、B 接触面上便形成了电位差，即接触电势。

接触电势的方向：由电子密度小的导体指向电子密度大的导体；接触电势的大小：()Bt AtAB n n e kt t e ln =或()00ln 00Bt At AB n n e kt t e =，式中：k 为波尔兹曼常数，e 为电子电量。

温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度比值越大，接触电势也越大。

可见接触电势与两导体的性质有关与接触点的温度有关，而与导体长度、截面大小、沿导体长度方向的温度分布无关。

热电偶回路的总电势为：()()()()()()()()C t f t f t f t t e t e t t e t e t t e AB AB AB B AB A AB AB +=-=+--=00000,,,即热电势是高温端温度及低温端温度的函数，若恒定低温端温度，则热电势是高温端温度的单值函数。

通过测量热电势的大小可以得到被测（高温端）温度的数值。

2. 热电偶回路的基本定律 1）均质导体定律由一种均质导体或半导体组成的闭合回路，不论导体的长度、截面积如何以及沿长度方向的温度分布如何，回路中都不可能产生热电势。

证明：已知：()()()()()0000,,,t t e t e t t e t e t t e B AB A AB AB +--= 因是均质导体，电子密度相同，所以()()00==t e t e AB AB 又因为()()00,,t t e t t e B A =-，所以回路总电势等于0。

结论（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成；（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，若回路中有热电势产生，则说明该材料是不均质的。

——用于电极材料的均匀性检测。

2）中间导体定律在热电偶回路中接入第三种、第四种、……均质导体，只要保证各导体的两接入点的温度相同，则这些导体的接入不会影响回路中的热电势。

证明：以在热电偶回路中接入第三种均质导体C 为例。

保证两接入点的温度都为t 0，如图所示：回路电势为：()()()()()()()000000,,,,t t e t e t t e t e t t e t e t t e A CA C BC B AB ABC -++++=其中：()()())()(ln ln 0,0000000000t e t e n n e kt n n e kt t e t e t t e AB BA At Ct Ct Bt CA BC C -==++=++故：()()()()()()00000,,,,t t e t e t t e t t e t e t t e AB AB A B AB ABC =--+= 即C 导体的加入不影响回路中的热电势。

结论（1）可以在热电偶回路中接入连接导线和测量仪表；（2）可以方便热电偶电极的选配；（3）可以进行表面温度和液体介质温度的开路测量。

3）中间温度定律接点温度为t1和t3的热电偶，它的热电势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3的两支同性质热电偶的热电势的代数和，即热电偶的热电势只与高温端和低温端的接点温度有关，而与中间温度无关。

结论：（1）可以对热电偶的冷端温度进行计算修正；（2）允许在热电偶回路中接入补偿导线。

标准化与非标准化热电偶1. 热电极材料及其性质热电极材料应满足下述要求：1）热电势及热电势率（灵敏度）大，热电势与温度间呈线性关系；2）电导率高，电阻温度系数小；3）物理、化学性能稳定（长期使用时，可保证热电特性稳定）；4）复制性好（可批量生产），便于互换；5）机械加工性好，便于安装6）价格便宜。

2. 标准化热电偶标准化热电偶：是制造工艺较成熟、应用广泛、能批量生产、性能优良而稳定并已列入专业或国家工业标准化文件中的热电偶。

标准化文件对同一型号的标准化热电偶规定了统一的热电极材料及其化学成分、热电性质和允许偏差，也就是说，标准化热电偶具有统一的分度表。

分度表是以表格的形式反映电势温度之间的关系，需注意的是：该电势温度关系是在冷端温度为0时得出的，使用应特别注意。

同一型号的标准化热电偶具有互换性，使用十分方便。

目前，国际上已有8种标准化热电偶，这些热电偶的型号（有时也称分度号）、电极材料、可测的温度范围以及使用特点见下表。

注：电极材料的前者为正极，后者为负极，紧跟的数字为该材料的百分含量。

温度测量范围是热电偶在良好的使用环境下测温的极限值，实际使用时，特别是长时间使用，一般允许的测温上限是极限值的60%~80%。

3.非标准化热电偶非标准化热电偶无论在使用范围或数量上均不及标准化热电偶。

但在某些特殊场合，如：高温、低温、超低温、高真空和有核辐射的被测对象中，这些热电偶具有某些特别良好的性能。

非标准化热电偶没有统一的分度表。

非标准化热电偶有钨铼系热电偶（钨的熔点为3387℃，铼的熔点为3180℃，用于测量高达2760℃的温度）；铱铑系热电偶，能在弱还原性介质中测量2000℃高温，适用于航天技术；双铂钼热电偶有较低的中子俘获面积，专用于核反应堆测温；非金属热电偶如碳化物、硼化物、氮化物，使得不用贵金属也能在氧化性气氛中测高温。

由于非金属热电偶复制性差，机械强度差，在使用中受到较大的限制。

热电偶的构造1.普通工业用热电偶普通工业用热电偶通常由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒构成，如图所示。

（1）热电极 热电极的直径大小由材料的价格、机械强度、电导率、热电普通工业用热电偶1-补偿导线；2-出线孔；3-金属链；4-盒盖固定螺钉、5-接线柱；6-盒盖；7-接线盒；8-接线柱；9-保护套管；10-绝缘管；11-热电极偶的用途及测温范围决定。

贵金属电极的直径为0.3~0.65mm，普通金属电极的直径为0.3~3.2mm。

热电极的长度有多种规格，主要由安装条件和插入深度来决定，一般为300~2000mm。

热电偶热端采用焊接方式连接，接头形状有点焊、对焊和绞接点焊。

焊点的直径应不超过热电极直径的两倍。

（2）绝缘管为了防止热电极间的电势短路，在热电极上套装绝缘管。

绝缘管有单孔、双孔、四孔等多种形式。

绝缘管材料的选择根据材料允许的工作温度进行，低温下可用橡胶、塑料、聚乙烯等材料；高温下可用普通陶瓷（1000℃以下）、高纯氧化铝（1300℃以下）、刚玉（1600℃以下）等。

常用绝缘子材料及其使用温度范围（3）保护套管为了防止热电极遭受机械损伤和化学腐蚀，通常将热电极和绝缘管装入不透气的保护套管内。

套管的材料和形式由被测介质的特性、安装方式和时间常数等决定。

常见的材料有黄铜、#20钢、不锈钢、高温耐热钢、纯氧化铝、刚玉、金属陶瓷等，测量更高温度时还可使用氧化铍和氧化钍，可达2200℃。

安装时可采用螺纹连接和法兰连接两种形式。

常用保护管材料及其适用的温度范围普通工业用热电偶测温时间常数随保护套管的材料及直径而变化（一般为10~240s ），当采用金属保护套管，外径为12mm 时，时间常数为45s ，外径为16mm 时，时间常数为90s ，而耐高压的金属热电偶的时间常数为2.5min 。

（4）接线盒 接线盒内有接线柱作为热电极和补偿导线或导线的连接装置。

根据用途的不同，有普通式、防溅式、防水式、隔爆式和插座式等结构形式。

2.铠装热电偶铠装热电偶是由热电极、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体。

它可以做得很细、很长，在使用中可以根据需要进行弯曲。

套管材料有铜、不锈钢和镍基高温合金等。

套管与热电极之间填满了绝缘粉末，常用的绝缘材料有氧化镁、氧化铝等。

套管中的热电极有单芯、双芯和四芯的，彼此之间互相绝缘。

目前生产的铠装热电偶，其壁厚0.12~0.6mm ，热电极直径0.025~1.3mm ，外径一般为1~6mm ，长度为1~20m ，外径最细的有0.2mm ，长度最长的超过100m 。

铠装热电偶的测量端有露端形（0.01~0.1s ）、接壳形（0.01~2.5s ）、绝缘形（0.2~8.0s ）、扁变截面形和圆变截面形等。

铠装热电偶的主要特点是测量端热容量小，动态响应快（时间常数小于10s ），机械强度高，挠性好，耐高压、强烈震动和冲击，可安装在结构复杂的装置上。

3.快速反应的薄膜热电偶薄膜热电偶是用真空蒸镀的方法使两种热电极材料蒸镀到绝缘基板上，二者牢固地结合在一起，形成薄膜状测量端，上面再蒸镀一层二氧化硅薄膜作为绝缘和保护层。

薄膜热电偶的特点是，测量端是非常薄的薄膜（可薄到0.01~0.1μm ），尺寸也很小，故测量端的热容量小，时间常数非常小（可达几毫秒），用于测量变化快的温度。