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熱電偶測溫

日期:2024-09-06 20:44
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摘要:
熱電偶測溫的基本原理

(一)熱電偶的熱電效應
熱電偶作為溫度傳感器所依據的原理,是1823年塞貝克發現的熱電效應。當兩種不同的導體或半導體A和B的兩端相接成閉合回路,就組成熱電偶。如果A和B的兩個接點溫度不同(假定
),則在該回路中就會產生電流,這表
明了該回路中存在電動勢,這個物理現象稱為熱電效應或塞貝克效應,相應的電動勢稱為塞貝克電勢。顯然,回路中產生的熱電勢大小僅與組成回路的兩種導體或半導體A、B的材料性質及兩個接點的溫度
有關,熱電勢用符號 表示。 (二)熱電偶工作原理
組成熱電偶的兩種不同的導體或半導體稱為熱電極;放置在被測溫度為
的介質中的接點叫做測量端(或工作端、熱端);另一個接點通常置於某個恒定的溫度 (如0℃),叫做參比端(或自由端、冷端)。
在熱電偶回路中,產生的熱電勢由兩部分組成,即溫差電勢和接觸電勢。 1.溫差電勢
溫差電勢是同一導體兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。由物理學電子論的觀點可知,當一根均質金屬導體A上存在溫度梯度時,處於高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大,所以,從高溫端向低溫端擴散
的電子數比從低溫端向高溫端擴散的電子數多得多,結果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因得到電子而帶負電,在高、低溫兩端之間便形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場
,這個靜電場將阻止電子進一步從高溫端向低溫端擴散,並加速電子向相反的方向轉移而建立相對的動態平衡。此時,在導體兩端產生的電位差稱為溫差電勢,用符號
表示導體A在其兩端溫度分別為 和 時的溫差電勢,括號中溫度 和
的順序決定了電勢的方向,若改變這一順序,也要相應改變電勢的正負號,即 。 溫差電勢 可用下式表示:
(6-1) 同理,導體B在其兩端溫度為 和
時產生的溫差電勢 寫為: (6-2) 式中: 和
-----導體A和B在兩端溫度分別為 和 時的溫差電勢; e-----電子電荷量,e=1.602×10-19
C; -----波爾茲曼常數, ,J/K; 和 -----導體A和B的電子密度,均為溫度的函數。
上述兩式表明溫差電勢的大小隻與導體的種類及導體兩端溫度 和 有關。 2.接觸電勢
接觸電勢是在兩種不同的導體相接觸處產生的一種熱電勢。由物理學電子論的觀
點知道,任何金屬內部由於電子與晶格內正電荷間的相互作用,使得電子在通常溫度下隻作不規則的熱運動,而不會從金屬中掙脫出來。要想從金屬中取出電子就必須消耗一定的功,這個功稱為金屬的逸出功。當兩種不同的金屬導體A、B連接在一起時,其接觸處將會發生自由電子擴散的現象,其原因之一是兩種金屬的逸出功不同。假如金屬導體A的逸出功比B的小,電子就比較容易從金屬A轉移到金屬B;另一原因是兩種金屬導體的自由電子密度略有不同,假如金屬導體A的自由電子密度比B的自由電子密度大,在單位時間內由金屬A擴散到金屬B的電子數就要比由金屬B擴散到金屬A的電子數多。在上述情況下,金屬A將因失去電子而帶正電,金屬B則因得到電子而帶負電。於是在金屬導體A、B之間就產生了電位差,即在其接觸處形成一個由A到B的靜電場
,如圖6.3所示。這個靜電場將阻止電子擴散的繼續進行,並加速電子向相反的方向轉移。當電子擴散的能力與靜電場的阻力相平衡時,接觸處的自由電子擴散就達到了動平衡狀態。此時A、B之間所形成的電位差稱為接觸電勢,其數值不僅取決於兩種不同金屬導體的性質,還和接觸處的溫度有關。用符號
表示金屬導體A和B的接觸點在溫度為
時的接觸電勢,其腳注AB的順序代表電位差的方向,如果改變腳注順序,電勢的正負符號也應改變,即 。 接觸電勢
可用下式表示: (6-3)
同理,導體A和B的接觸點溫度為 時的接觸電勢 可表示為:
(6-4) 式中: 和 -----金屬導體A和B接觸點的溫度,K; 和
-----金屬導體A和B在溫度為 時的電子密度; 和 -----金屬導體A和B在溫度為 時的電子密度。
上述兩式表明,接觸電勢的大小與兩種導體的種類及接觸處的溫度有關。 3.熱電偶回路的熱電勢
綜上所述,當兩種不同的均質導體A和B首尾相接組成閉合回路時,如果 ,而且 ,則在這個回路內,將會產生兩個接觸電勢 、
和兩個溫差電勢 、 ,熱電偶回路的熱電勢 為:


(6-5)
將式(6-5)整理後可得:
(6-6) 由於溫差電勢比接觸電勢小,而又有 ,所以在總電勢 中,以導體A、B在 端的接觸電勢
所占的比例*大,總電勢 的方向將取決於 的方向。在熱電偶的回路中,因 ,所以導體A為正極,B為負極。
式(6-6)表明,熱電勢的大小取決於熱電偶兩個熱電極材料的性質和兩端接點的溫度。因此,當熱電極的材料一定時,熱電偶的總電勢
就僅是兩個接點溫度 和 的函數差,可用下式表示為: (6-7) 如果能保持熱電偶的冷端溫度
恒定,對一定的熱電偶材料,則 亦為常數,可用C代替,其熱電勢就隻與熱電偶測量端的溫度 成單值函數關係,即
(6-8)
這一關係式可通過實驗方法獲得。在實際測溫中,就是保持熱電偶冷端溫度 為恒定的已知溫度,再用顯示儀表測出熱電勢
,而間接地求得熱電偶測量端的溫度,即為被測的溫度 。
通常,熱電偶的熱電勢與溫度的關係,都是規定熱電偶冷端溫度為0℃時,按熱電偶的不同種類,分別列成表格形式,這些表格就稱為熱電偶的分度表。
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