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熱電偶工作原理是什么？
熱電偶的工作原理(熱電偶原理) 什么叫熱電偶？
這就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(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。 熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在Seebeck電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)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(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時(shí)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(shí),只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶所產(chǎn)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(shí),可接入測量儀表,測得熱電動勢后,即可知道被測介質(zhì)的溫度。 B：熱電偶工作原理： 兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)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(bǔ)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(chǎn)生的熱電勢。 熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題： 1：熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)； 2：熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)； 3：當(dāng)熱電偶的兩個(gè)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(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。
熱電偶利用兩種不同的材料組成的閉合電路；當(dāng)2端的溫度不同時(shí)，就會有電流產(chǎn)生；再通過測量儀表，就可以輕松的獲得介質(zhì)的溫度。
常用的熱電偶材料有： 熱電偶分度號熱電極材料 正極負(fù)極S鉑銠10純鉑R鉑銠13純鉑B鉑銠30鉑銠6K鎳鉻鎳硅T純銅銅鎳J鐵銅鎳N鎳鉻硅鎳硅E鎳鉻銅鎳
1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中會產(chǎn)生一個(gè)電勢，這就是熱電效應(yīng)，也稱作“塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）”。
Thomas Johann Seebeck（1780～1831）
〔發(fā)現(xiàn)者〕托馬斯·約翰·塞貝克（也有譯做“西伯克”）1770年生于塔林（當(dāng)時(shí)隸屬于東普魯士，現(xiàn)為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個(gè)具有瑞典血統(tǒng)的德國人，也許正因?yàn)槿绱耍膭?lì)兒子在他曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的柏林大學(xué)和哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。1802年，塞貝克獲得醫(yī)學(xué)學(xué)位。由于他所選擇的方向是實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)中的物理學(xué)，而且一生中多半時(shí)間從事物理學(xué)方面的教育和研究工作，所以人們通常認(rèn)為他是一個(gè)物理學(xué)家。
畢業(yè)后，塞貝克進(jìn)入耶拿大學(xué)，在那里結(jié)識了歌德。德國浪漫主義運(yùn)動以及歌德反對牛頓關(guān)與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(yīng)方面的理論研究。塞貝克的研究重點(diǎn)是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學(xué)對太陽光譜中不同顏色的影響，1808年首次獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當(dāng)塞貝克從事應(yīng)力玻璃中的光偏振現(xiàn)象時(shí)，他卻不曉得另外兩個(gè)科學(xué)家布魯斯特和比奧已經(jīng)搶先在這一領(lǐng)域里有了發(fā)現(xiàn)。
1818年前后，塞貝克返回柏林大學(xué)，獨(dú)立開展研究活動，主要內(nèi)容是電流通過導(dǎo)體時(shí)對鋼鐵的磁化。當(dāng)時(shí)，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對鋼鐵的磁化效應(yīng)，貝塞克對不同金屬進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應(yīng)，也就是我們現(xiàn)在所說的磁滯現(xiàn)象。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發(fā)光、太陽光譜不同波段的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、偏振，以及電流的磁特性等等。
1820年代初期，塞貝克通過實(shí)驗(yàn)方法研究了電流與熱的關(guān)系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成一個(gè)電流回路。他將兩條導(dǎo)線首尾相連形成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個(gè)結(jié)加熱到很高的溫度而另一個(gè)結(jié)保持低溫的話，電路周圍存在磁場。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個(gè)結(jié)時(shí)會有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來的兩年里時(shí)間（18222～1823），塞貝克將他的持續(xù)觀察報(bào)告給普魯士科學(xué)學(xué)會，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導(dǎo)致的金屬磁化”。
賽貝殼的實(shí)驗(yàn)儀器，加熱其中一端時(shí)，指針轉(zhuǎn)動，說明導(dǎo)線產(chǎn)生了磁場
塞貝克確實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，但他卻做出了錯(cuò)誤的解釋：導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場的原因，是溫度梯度導(dǎo)致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。科學(xué)學(xué)會認(rèn)為，這種現(xiàn)象是因?yàn)闇囟忍荻葘?dǎo)致了電流，繼而在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生了磁場。對于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，科學(xué)家們的眼睛讓奧斯特（電磁學(xué)的先驅(qū)）的經(jīng)驗(yàn)給蒙住了，所以他們只會用“磁場由電流產(chǎn)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(gè)事實(shí)：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場。所以，多數(shù)人都認(rèn)可熱電效應(yīng)的觀點(diǎn)，后來也就這樣被確定下來了。（來自：以色列·希伯萊大學(xué)網(wǎng)站，陳忠民譯）
〔應(yīng)用〕熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后的1830年，人們就為它找到了應(yīng)用場所。利用熱電效應(yīng)，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶）來測量溫度。只要選用適當(dāng)?shù)慕饘僮鳠犭娕疾牧希涂奢p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(jì)望塵莫及。現(xiàn)在，通過采用鉑和鉑合金制作的熱電偶溫度計(jì)，甚至可以測量高達(dá)＋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(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖（a）所示，環(huán)路電壓VOUT為熱結(jié)點(diǎn)結(jié)電壓與冷結(jié)點(diǎn)（參考結(jié)點(diǎn)）結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，也就是說VOUT是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。
熱電偶測溫原理
圖（b）所示是一種最常見的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個(gè)額外的結(jié)點(diǎn)。本例中，每個(gè)開路結(jié)點(diǎn)與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個(gè)額外結(jié)點(diǎn)，只要這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。VOUT仍然是熱結(jié)點(diǎn)與冷結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結(jié)點(diǎn)的實(shí)際溫度，冷結(jié)點(diǎn)溫度必須是已知的。冷結(jié)點(diǎn)溫度為0℃(冰點(diǎn))時(shí)是一種最簡單的情況，如果TC=0℃，則VOUT=VH。這種情況下，熱結(jié)點(diǎn)測量電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的直接轉(zhuǎn)換值。不過，在實(shí)際應(yīng)用中這是難以實(shí)現(xiàn)的。為此，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對應(yīng)關(guān)系的查找表，所有數(shù)據(jù)均基于0℃冷結(jié)點(diǎn)溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過查找適當(dāng)表格中的VH可以確定熱結(jié)點(diǎn)溫度。
這就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(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。 熱電偶測溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在Seebeck電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)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(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系,制成熱電偶分度表;分度表是自由端溫度在0℃時(shí)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(shí),只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同,熱電偶所產(chǎn)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(shí),可接入測量儀表,測得熱電動勢后,即可知道被測介質(zhì)的溫度。 B：熱電偶工作原理： 兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)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(bǔ)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(chǎn)生的熱電勢。 熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度，對于熱電偶的熱電勢，應(yīng)注意如下幾個(gè)問題： 1：熱電偶的熱電勢是熱電偶兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶兩端溫度差的函數(shù)； 2：熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長度和直徑無關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)； 3：當(dāng)熱電偶的兩個(gè)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(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢僅是工作端溫度的單值函數(shù)。
熱電偶利用兩種不同的材料組成的閉合電路；當(dāng)2端的溫度不同時(shí)，就會有電流產(chǎn)生；再通過測量儀表，就可以輕松的獲得介質(zhì)的溫度。
常用的熱電偶材料有： 熱電偶分度號熱電極材料 正極負(fù)極S鉑銠10純鉑R鉑銠13純鉑B鉑銠30鉑銠6K鎳鉻鎳硅T純銅銅鎳J鐵銅鎳N鎳鉻硅鎳硅E鎳鉻銅鎳
1821年，德國物理學(xué)家塞貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)，回路中會產(chǎn)生一個(gè)電勢，這就是熱電效應(yīng)，也稱作“塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）”。
Thomas Johann Seebeck（1780～1831）
〔發(fā)現(xiàn)者〕托馬斯·約翰·塞貝克（也有譯做“西伯克”）1770年生于塔林（當(dāng)時(shí)隸屬于東普魯士，現(xiàn)為愛沙尼亞首都）。塞貝克的父親是一個(gè)具有瑞典血統(tǒng)的德國人，也許正因?yàn)槿绱耍膭?lì)兒子在他曾經(jīng)學(xué)習(xí)過的柏林大學(xué)和哥廷根大學(xué)學(xué)習(xí)醫(yī)學(xué)。1802年，塞貝克獲得醫(yī)學(xué)學(xué)位。由于他所選擇的方向是實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)中的物理學(xué)，而且一生中多半時(shí)間從事物理學(xué)方面的教育和研究工作，所以人們通常認(rèn)為他是一個(gè)物理學(xué)家。
畢業(yè)后，塞貝克進(jìn)入耶拿大學(xué)，在那里結(jié)識了歌德。德國浪漫主義運(yùn)動以及歌德反對牛頓關(guān)與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(yīng)方面的理論研究。塞貝克的研究重點(diǎn)是太陽光譜，他在1806年揭示了熱量和化學(xué)對太陽光譜中不同顏色的影響，1808年首次獲得了氨與氧化汞的化合物。1812年，正當(dāng)塞貝克從事應(yīng)力玻璃中的光偏振現(xiàn)象時(shí)，他卻不曉得另外兩個(gè)科學(xué)家布魯斯特和比奧已經(jīng)搶先在這一領(lǐng)域里有了發(fā)現(xiàn)。
1818年前后，塞貝克返回柏林大學(xué)，獨(dú)立開展研究活動，主要內(nèi)容是電流通過導(dǎo)體時(shí)對鋼鐵的磁化。當(dāng)時(shí)，阿雷格（Arago）和大衛(wèi)（Davy）才發(fā)現(xiàn)電流對鋼鐵的磁化效應(yīng)，貝塞克對不同金屬進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了磁化的熾熱的鐵的不規(guī)則反應(yīng)，也就是我們現(xiàn)在所說的磁滯現(xiàn)象。在此期間，塞貝克還曾研究過光致發(fā)光、太陽光譜不同波段的熱效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、偏振，以及電流的磁特性等等。
1820年代初期，塞貝克通過實(shí)驗(yàn)方法研究了電流與熱的關(guān)系。1821年，塞貝克將兩種不同的金屬導(dǎo)線連接在一起，構(gòu)成一個(gè)電流回路。他將兩條導(dǎo)線首尾相連形成一個(gè)結(jié)點(diǎn)，他突然發(fā)現(xiàn)，如果把其中的一個(gè)結(jié)加熱到很高的溫度而另一個(gè)結(jié)保持低溫的話，電路周圍存在磁場。他實(shí)在不敢相信，熱量施加于兩種金屬構(gòu)成的一個(gè)結(jié)時(shí)會有電流產(chǎn)生，這只能用熱磁電流或熱磁現(xiàn)象來解釋他的發(fā)現(xiàn)。在接下來的兩年里時(shí)間（18222～1823），塞貝克將他的持續(xù)觀察報(bào)告給普魯士科學(xué)學(xué)會，把這一發(fā)現(xiàn)描述為“溫差導(dǎo)致的金屬磁化”。
賽貝殼的實(shí)驗(yàn)儀器，加熱其中一端時(shí)，指針轉(zhuǎn)動，說明導(dǎo)線產(chǎn)生了磁場
塞貝克確實(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了熱電效應(yīng)，但他卻做出了錯(cuò)誤的解釋：導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場的原因，是溫度梯度導(dǎo)致金屬在一定方向上被磁化，而非形成了電流。科學(xué)學(xué)會認(rèn)為，這種現(xiàn)象是因?yàn)闇囟忍荻葘?dǎo)致了電流，繼而在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生了磁場。對于這樣的解釋，塞貝克十分惱火，他反駁說，科學(xué)家們的眼睛讓奧斯特（電磁學(xué)的先驅(qū)）的經(jīng)驗(yàn)給蒙住了，所以他們只會用“磁場由電流產(chǎn)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(gè)事實(shí)：如果將電路切斷，溫度梯度并未在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場。所以，多數(shù)人都認(rèn)可熱電效應(yīng)的觀點(diǎn)，后來也就這樣被確定下來了。（來自：以色列·希伯萊大學(xué)網(wǎng)站，陳忠民譯）
〔應(yīng)用〕熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)后的1830年，人們就為它找到了應(yīng)用場所。利用熱電效應(yīng)，可制成溫差電偶（thermocouple，即熱電偶）來測量溫度。只要選用適當(dāng)?shù)慕饘僮鳠犭娕疾牧希涂奢p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(jì)望塵莫及。現(xiàn)在，通過采用鉑和鉑合金制作的熱電偶溫度計(jì)，甚至可以測量高達(dá)＋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(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖（a）所示，環(huán)路電壓VOUT為熱結(jié)點(diǎn)結(jié)電壓與冷結(jié)點(diǎn)（參考結(jié)點(diǎn)）結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，也就是說VOUT是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。
熱電偶測溫原理
圖（b）所示是一種最常見的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個(gè)額外的結(jié)點(diǎn)。本例中，每個(gè)開路結(jié)點(diǎn)與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個(gè)額外結(jié)點(diǎn)，只要這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。VOUT仍然是熱結(jié)點(diǎn)與冷結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結(jié)點(diǎn)的實(shí)際溫度，冷結(jié)點(diǎn)溫度必須是已知的。冷結(jié)點(diǎn)溫度為0℃(冰點(diǎn))時(shí)是一種最簡單的情況，如果TC=0℃，則VOUT=VH。這種情況下，熱結(jié)點(diǎn)測量電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的直接轉(zhuǎn)換值。不過，在實(shí)際應(yīng)用中這是難以實(shí)現(xiàn)的。為此，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對應(yīng)關(guān)系的查找表，所有數(shù)據(jù)均基于0℃冷結(jié)點(diǎn)溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過查找適當(dāng)表格中的VH可以確定熱結(jié)點(diǎn)溫度。
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