熱電偶測溫原理與熱電動勢的檢測

熱電偶及其測溫原理(1)熱電偶的測溫原理是通過將材質(zhì)不同的2種導(dǎo)體和半導(dǎo)體a、b與閉合電路連接而構(gòu)成熱電偶。 熱電偶的測溫原理是基于熱電偶兩端的溫度不同，在熱電偶的閉合回路中產(chǎn)生熱電動勢的熱電效應(yīng)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。 熱電偶電路的熱電動勢如圖2-15所示，由接觸電動勢和溫差電動勢兩部分構(gòu)成。

圖中，接觸電動勢是通過兩種不同材質(zhì)的導(dǎo)體a、b接觸時(shí)產(chǎn)生的電子擴(kuò)散而形成的。 假設(shè)導(dǎo)體a中的自由電子的濃度比導(dǎo)體b中的自由電子的濃度大，則在開始接觸的瞬間導(dǎo)體a向?qū)wb擴(kuò)散的電子的數(shù)量比導(dǎo)體b向?qū)wa擴(kuò)散的電子的數(shù)量多，因此導(dǎo)體a失去較多的電子而帶正電荷，導(dǎo)體b帶負(fù)電荷，其結(jié)果是，在接觸面產(chǎn)生電場，該電場在導(dǎo)體b中 平衡時(shí)在a、b兩個(gè)導(dǎo)體之間形成的電位差稱為接觸電動勢，其大小與兩個(gè)導(dǎo)體的材質(zhì)和觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。 溫差電動勢是由于同一導(dǎo)體根據(jù)兩端的溫度，電子具有不同的能量而產(chǎn)生的電位差。 由此可知，熱電偶閉合電路中熱電動勢是接觸電動勢與溫度差電動勢之和，可以說

式中，式右邊的前兩項(xiàng)為接觸電動勢，后兩項(xiàng)為溫差電動勢。 理論研究表明，由于溫差電動勢遠(yuǎn)小于接觸電動勢，熱電動勢通常以接觸電動勢為主，式(2-18 )可近似

由式(2-19 )可知，材質(zhì)一定且冷端溫度&； 在不變情況下，熱端溫度和熱電動勢為與一個(gè)值對應(yīng)的逆函數(shù)關(guān)系、即

式(2-20 )表示只要測量熱電動勢的大小，被測量溫度的高低就會決定，這是熱電偶的測溫原理。 根據(jù)上述分析，可以得出以下三個(gè)重要結(jié)論:①如果構(gòu)成熱電偶的電極材料相同，則無論熱電偶冷還是熱兩端的溫度如何，總熱電動勢都為零；②如果熱電偶冷，熱兩端的溫度相同，則與電極材料無關(guān)，總熱電動勢也為零 也就是說，由不同電極材質(zhì)構(gòu)成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電動勢不同。 (2)在熱電動勢的檢測和第三導(dǎo)體法則的實(shí)際使用中，為了檢測熱電動勢，如圖2-16所示，需要在熱電偶電路上連接測量器和引線(簡單的第三導(dǎo)體)。

連接第三導(dǎo)體后，是否對熱電偶的熱電動勢有影響？ 根據(jù)圖2-16，連接第三導(dǎo)體后的熱電偶電路中的總熱電動勢

由式(2-23 )可知，在熱電偶電路上連接第三導(dǎo)體的情況下，如果第三導(dǎo)體的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，則電路中的熱電動勢的值不變，熱電偶的性質(zhì)被稱為第三導(dǎo)體法則。 第三導(dǎo)體定律在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。 由此，熱電偶所需的測量儀器和導(dǎo)線可以放心插入，如果使兩個(gè)觸點(diǎn)的溫度相同，就可以不影響熱電偶的輸出地測量熱電動勢。 (3)冷伸長率和等價(jià)交換原理也從熱電偶的測溫原理得知，只有在熱電偶的冷溫度不變化的情況下，熱電動勢與被測溫度有一定的對應(yīng)關(guān)系。 由于制作熱電偶的熱電材料價(jià)格昂貴，因此不能使熱電偶的電極長時(shí)間工作，其結(jié)果是，冷端溫度受被測溫度的影響不會發(fā)生很大變化。 為了使冷端遠(yuǎn)離熱端，工程中專用的&ldquo； 補(bǔ)償導(dǎo)線&rdquo； 連接熱電偶的冷端子，冷端子不影響熱電偶的熱電動勢，延長到溫度比較穩(wěn)定的環(huán)境。 這樣的理論依據(jù)是&ldquo； 等價(jià)置換&rdquo； 原理、分析如下。

如圖2~圖17所示，圖b全部是由貴金屬材料a、b構(gòu)成熱電偶，圖a是由補(bǔ)償導(dǎo)線c、d和貴金屬材料a、b制成的熱電偶，如果滿足圖a，則熱電路的總熱電動勢為

所以有

根據(jù)式(2-24 )，滿足EAB(tc，to)=ECD(tc，to ) & ldquo； 補(bǔ)償導(dǎo)線&rdquo； 所謂&ldquo，代替熱電極，伸長冷端，不改變熱電偶的熱電動勢； 等價(jià)置換&rdquo； 原理。 補(bǔ)償導(dǎo)線由性質(zhì)不同的2根廉價(jià)的金屬線構(gòu)成，一般為0 ~100℃； 在溫度范圍內(nèi)，要求與所連接的熱電偶大致相同的熱電性能，補(bǔ)償導(dǎo)線的連接如圖2-18所示。

選擇補(bǔ)償導(dǎo)線使用時(shí)，請注意符合熱電偶的型號，不要弄錯(cuò)極性。 (4)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶及其補(bǔ)償導(dǎo)線常用的熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩類。 標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是以國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定熱電動勢和溫度的關(guān)系、允許誤差，統(tǒng)一了標(biāo)準(zhǔn)形式(稱為指數(shù)編號)的熱電偶。 非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是特殊情況下使用的熱電偶，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 遵循的IEC國際標(biāo)準(zhǔn)，我國設(shè)計(jì)了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的熱電偶，其中一部分如表2-3所示。

①熱電偶材料中，前者表示正極，后者表示負(fù)極。 ②補(bǔ)償導(dǎo)線形式的*文字表示對方的熱電偶形式的第2個(gè)文字&ldquo； c&rdquo； 表示補(bǔ)償型補(bǔ)償導(dǎo)線，&ldquo； x&rdquo； 表示延伸類型的補(bǔ)償導(dǎo)線，即補(bǔ)償導(dǎo)線的材料與熱電偶的材料相同。 ③鉑銠10表示鉑為90%，銠為10%，以下相同。

本文熱電偶高頻詞： 測溫原理  補(bǔ)償導(dǎo)線 

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