耐磨熱電偶測溫原理介紹

熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單、測量精度高、裸線熱容小、材料兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。 將熱電偶作為傳感器使用的熱電偶溫度計的測溫范圍從低溫到4K，從高溫到2800c。 熱電偶可以進(jìn)行多點(diǎn)溫度測量，其輸出信號可以遠(yuǎn)距離傳輸。 容易檢測和控制。 因此，熱電偶廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研。

熱電效應(yīng)

當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體與閉合電路連接，并且如圖2-21所示，使這兩個觸點(diǎn)處于不同溫度時，在這些電路中產(chǎn)生電勢，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。 產(chǎn)生的電位統(tǒng)稱為熱電勢，記為EAB(T，To )。

熱電偶是熱電偶溫度計的傳感器，其溫度測量的基本原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。 如圖2-21所示，將兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體) a和b與閉合電路連接，在兩個接點(diǎn)1和2的溫度不同的情況下，T>； t。 電路中產(chǎn)生熱電勢EAs (T，T0 )。 導(dǎo)體a、b稱為熱電極，其中a表示熱電偶的正極，b表示負(fù)極。 兩個熱電極a和b的組合叫做熱電偶。 在兩個觸點(diǎn)中，觸點(diǎn)焊接兩個電極，測溫時在人的被測對象中感受到被測側(cè)的灰度，因此被稱為測量端、熱端或工作端的觸點(diǎn)2處于環(huán)境中，要求溫度一定，因此被稱為基準(zhǔn)端、冷端或自由端。

熱電偶采用側(cè)zui熱電勢實(shí)現(xiàn)測溫。 該熱電勢由接觸電位(也稱為帕爾貼電位)和溫度差電位(也稱為湯姆森電位)這兩個部分構(gòu)成

兩種導(dǎo)體的接觸電位

接觸電位是由珀耳帖效應(yīng)引起的，是當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸時，自由電子從密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，達(dá)到動態(tài)平衡所形成的熱電電位。 自由電子擴(kuò)散的速度與自由電子的密度和溫度成正比。

將導(dǎo)體a和b自由電子密度分別設(shè)為NA NB、NA時，>； NB。 單位時間內(nèi)從導(dǎo)體a向?qū)wb擴(kuò)散的自由電子數(shù)比從b向a擴(kuò)散的自由電子數(shù)多，導(dǎo)體a通過失去電子而帶正電，導(dǎo)體b通過得到電子而帶負(fù)電，因此能夠在a與b之間產(chǎn)生電位差。 該電位在a、b的接觸部形成靜電場，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)。 在某溫度t下，電子擴(kuò)散能力與靜電場電阻動態(tài)平衡，在接點(diǎn)形成接觸電位.

式中eab(t)>； 導(dǎo)體a和b在溫度t下接觸電位，v；

t1接點(diǎn)溫度、k；

k>； 玻爾茲曼常數(shù)

e>； 單位電荷。 ；

NAT>； 導(dǎo)體a溫度t下的自由電子密度、cm-3

nbt>； 導(dǎo)體b溫度t下的自由電子密度、cm-3

注意:接觸電位EAB(T )的針腳代碼AB的順序表示電位差的方向。 改變腳碼的順序的話，電位“E&rdquo； 前面的符號也是熱電勢符號&ldquo； e "加&ldquo； -&rdquo； 號令。

根據(jù)式(2-83 )，接觸電位的大小與觸點(diǎn)溫度的高低和導(dǎo)體a和b的自由電子密度有關(guān)。 溫度越高，接觸電位越大，兩種導(dǎo)體的自由電子密度之比越大，接觸電位也越大。 在a和b為相同材質(zhì)的情況下，EAA(T) =0

單一導(dǎo)體中溫度差電位

溫差電位是基于湯姆森效應(yīng)( Tomson )而產(chǎn)生的，同一導(dǎo)體的兩端因其溫度而產(chǎn)生的熱電電位。

將導(dǎo)體a兩端溫度分別設(shè)為t和To，T>； t。 此時，形成溫度梯度。 因為使高溫端的自由電子能大于低溫端的自由電子能zui，所以從高a端向低溫端擴(kuò)散的自由電子數(shù)比從低溫端向高溫端擴(kuò)散的自由電子數(shù)多。 結(jié)果高溫端因失去自由電子而帶正電荷，低溫端因得到自由電子而帶負(fù)電荷。 因此，在同一導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電位差，阻止自由電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，在zui后使自由電子動態(tài)平衡地擴(kuò)散，將此時形成的電位差稱為a差電位.

式中，EA、( t、t )。 、將導(dǎo)體a的兩端溫度分別設(shè)為t和t。 ( T >； To )時的溫差電位，v。 ，

同樣，將導(dǎo)體b兩端溫度分別設(shè)為t和To .，T>； T0時，還會產(chǎn)生溫差電位。 由式(2-84 )可知，溫度差電位的大小依賴于熱電極兩端的溫度差和熱電極的自由電子密度，自由電子密度與熱電極材料成分有關(guān)。 溫差越大，溫差電位也越大。 在熱電極兩端溫度相同的情況下，溫度差電位為零，即ea(t，To)=0

熱電偶閉合電路總電位

在熱電偶閉合電路中產(chǎn)生兩個溫度差電位EA(T，t )。 ( EB(T，t )。 .)和兩個接觸電位EAB(T) . EAB(To )。 T>； To，NA>； NB的溫度差電位比接觸電位小，因此熱電偶電路總電位中導(dǎo)體a和r的熱端的接觸電位EAB ( T )所占的比例zui大，決定電路總電位即熱電勢的方向，此時能夠?qū)懭肟偀犭妱軪AB ( T，To )

由式(2-86 )可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與自由電子密度和兩觸點(diǎn)溫度有關(guān)。 自由電子密度不僅隨熱電偶的材料特性而變化，也隨溫度變化而變化，不是常數(shù)。 因此，在熱電偶材料恒定的情況下，熱電勢EAB(T，t )變?yōu)楹愣ā?)是溫度t和To的函數(shù)差，即

如果冷端溫度To可以是恒定的，即f( TO)=C (常數(shù))，則對于特定的熱電偶材料，熱電勢EAB(T，To )僅僅與熱端溫度具有恒定的值函數(shù)關(guān)系

該特性稱為熱電偶的熱電特性，可以通過實(shí)驗求出。 因此，在不改變熱電偶的冷端沮喪度To的情況下，只測量熱電勢EAB ( T，t )。 、可求出被測定溫度t。

國際溫度標(biāo)準(zhǔn): To = 0℃，通過實(shí)驗測量各種熱電電極組合的熱電偶在不同工作溫度下產(chǎn)生的熱電勢值，制作表格，是常見的尺度表格。 溫度和熱電勢的關(guān)系也可以用函數(shù)關(guān)系表示，稱為參考函數(shù)。 新的n際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90的索引表和參考函數(shù)

國際電工委員會和國際計量委員會合作安排，國際研究機(jī)構(gòu)(包括中國)共同參與完成，是熱電偶測溫的主要依據(jù)。 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度表和參考函數(shù)，詳情請參閱附錄a和附錄b。

結(jié)論

根據(jù)以上熱電偶的測溫原理

(1)熱電偶的測溫三要素，即材質(zhì)、溫度、閉合回路，三者必不可少。

( f( To )一定，則EAB(T.TO )是被測定溫度t的一值函數(shù)。

(3)冷卻溫度是否一定，決定測溫精度的高低。 由式(2-86 )可知，熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系是非線性的，兩者之間的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù)不能準(zhǔn)確得到。

本文熱電偶高頻詞： 溫差  電勢 

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