热电偶测温原理

pz3n9U5 · 发表于 2014-2-26 16:29

2.5.1 热电偶测温原理
2.5.1.1 热电效应
把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，如图
2-21所示，如果将它们的两个接点分别置于不同的温度，
则在该回路就会产生电势，这种现象称为热电效应，或称
塞贝克效应（Seebeck）。产生的电势通称为热电势，记作
E
AB （T，T
0）。
热电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是基于热电效应。如图 2-21所示，
把两种不同的导体（或半导体） A 和 B 连接成闭合回路，当两接点 1 与 2 的温度不同时，如
T >T
0，则回路中就会产生热电势 E
AB （T，T
0）。导体 A、B 称为热电极，其中，A 表示热电偶
的正极；B 表示负极。两热电极 A 和 B 的组合称为热电偶。在两个接点中，接点 1是将两电极
焊在一起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；接点
2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。
热电偶就是通过测量热电势来实现测温的。该热电势由两部分组成：接触电势（又称珀
尔帖电势）与温差电势（又称汤姆逊电势）。
2.5.1.2 两种导体的接触电势
接触电势是基于帕尔帖（Peltier）效应产生的，即由于两种不同的导体接触时，自由电子
由密度大的导体向密度小的扩散，直至达到动态平衡为止而形成的热电势。自由电子扩散的速
率与自由电子的密度和所处的温度成正比。
设导体 A 与 B 的自由电子密度分别为 N
A、N
B，并且 N
A
> N
B，则在单位时间内，由导体 A
扩散到导体 B 的自由电子数比从 B 扩散到 A 的自由电子数多，导体 A 因失去电子而带正电，
导体 B 因获得电子而带负电，因此，在 A 和 B 间形成了电势差。这个电势在 A、B 接触处形成
一个静电场，阻碍扩散作用的继续进行。在某一温度 T下，电子扩散能力与静电场的阻力达到
动态平衡，此时在接点处形成接触电势，并表示为
E
AB（T） =
kT
e
ln
N
AT
N
BT
（2-83）
式中 E
AB（T）———导体 A 和 B 在温度 T时的接触电势，V；
T———接点处绝对温度，K；
k———玻耳兹曼常数，k=1.38 ×10
-23
J/K；
e———单位电荷，e=1.60 ×10
-19
℃ ；
N
AT———导体 A 在温度 T时的自由电子密度，cm
-3
；
N
BT———导体 B 在温度 T时的自由电子密度，cm
-3
。
注意：接触电势 E
AB（T）脚码 AB 的顺序代表电位差的方向。如果改变脚码的顺序，电势
“E” 前面的符号也应随之改变，即在热电势符号 “E” 前加 “ -” 号。
从式（2-83）中看出，接触电势的大小与接点温度的高低以及导体 A 和 B 的自由电子密
度有关。温度越高，接触电势越大，两种导体自由电子密度的比值越大，接触电势也越大。当
A 和 B 为同一种材质时，则有 E
AA（T） =0。
2.5.1.3 单一导体中的温差电势
温差电势是基于汤姆逊效应（Thomson）产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生

（3）金属陶瓷。金属材料虽然坚韧，但往往不耐高温以及抗腐蚀性差。陶瓷材料恰好相
反，它们能耐高温、抗腐蚀，但是很脆。为此，人们将金属与陶瓷结合，集两者之优点，得到
了一种既耐高温、抗腐蚀，又抗热震的坚韧材料———金属陶瓷。所谓金属陶瓷，是指由一种金
属或合金，同一种或几种陶瓷材料组成的非均质的复合材料。主要有 Al
2
O
3基金属陶瓷、ZrO
2
基金属陶瓷、M gO 基金属陶瓷和碳化钛系列金属陶瓷。金属陶瓷保护管常用于化工厂、熔融
金属和高温炉的温度测量。
2.5 热电偶温度计

87
D 接线盒
接线盒的作用是固定接线座和连接热电极与补偿导线。通常由铝合金制成，一般分为普通
式和密封式两种。为了防止灰尘和有害气体进入热电偶保护套管内，接线盒的出线孔和盖子均
用垫片和垫圈加以密封。接线盒内用于连接热电极和补偿导线的螺丝必须紧固，以免产生较大
的接触电阻而影响测量的准确性。

（2）在连轧生产中，为了保证每架轧机之间不产生堆钢和拉钢，则必须使单位时间内金属从
每架轧机间流过的体积保持相等，即
F1v= Fv2=… =Fnvn （8-4）
式中 F1，F2，…，Fn———每架轧机上轧件出口的断面积；
v1，v2，…，vn———各架轧机上轧件的出口速度，它比轧辊的线速度稍大，但可看成近似相等。
如果轧制时 F1，F2，…，Fn 为已知，只要知道其中某一架轧辊的转数，则其余的转数均可一
一求出。
（3）利用体积不变定律的数学关系式，可以提高加工产品金属的收得率。如在轧制中已知
产品的尺寸，可以反过来确定使金属消耗最小的坯料尺寸。齿轮的轧制，就是利用这个关系确定
坯料尺寸的。
8.4.1.3 在线应力状态下（σ2=σ3=0）由拉伸实验建立的屈服条件
拉伸一试样，当主应力 σ
1 的数值达到该材料的屈服极限（σ1= σs）时，试样开始塑性变形，
这一点很容易为实验所证实。然而在 σ
2≠0和 σ3≠0的情况下，塑性变形究竟将在什么条件下
才能开始呢，这一问题就必须依靠极限状态理论来解决。
8.4.1.4 塑性方程式
塑性方程式就是研究弹性变形终了，塑性变形即将开始时主应力与屈服极限间的关系的理
㈠31 8 塑性变形的基本定律
论。表示这一关系的数学方程式即为塑性方程式。
对于一定材料，在一定的变形条件下，可以认为金属的屈服只决定于物体所承受的应力状
态，即各主应力分量满足于其一定的函数关系 f（σ1，σ2，σ3）=0时，应力状态所构成的外部条件
与金属屈服时的内存因素恰好相符，金属即会从弹性变形转为塑性变形。
开始产生塑性变形的条件叫做极限应力状态或叫做屈服条件，研究塑性变形体内每点发生
的应力 σ
1、σ2、σ3 与金属屈服应力 σs之间的关系之后，我们便可以解决在塑性变形时所需外力
的大小的问题，才有可能计算轧制、锻压时所需的能量。这对我们有效地发挥现有设备的能力极
为有利。归纳起来讲，现已提出的极限状态理论有以下四种：最大法线应力理论，最大变形理论，主应
力差理论，能量理论。
最大法线应力理论认为，在拉伸状态下最大主应力达到屈服极限时就可以发生塑性变形，与
其他两个主应力数值无关。最大变形理论则认为，塑性变形开始于最大拉伸变形到达一定数值
的时刻。显然，这两种理论均与事实不符而被推倒，下面仅就后两种理论加以讨论。
12.6.2 轧制速度及其计算
轧制速度是指轧辊的线速度。在轧制过程中是指与金属接触处的轧辊圆周速度，它不考虑
轧辊与轧件之间的相对滑动。它取决于轧辊的转数与轧辊的平均工作直径，即
v=πn60DK式中 v———轧制速度，m /s；
DK———轧辊平均工作直径，mm；
n———每分钟轧辊转数。

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