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热电偶测温的原理

热电偶测温的原理

2017年3月24日
1热电偶的测温原理 1.1测温原理 将两种不同的导体或半导体连接成如图8.3.1所示的闭合回路,如果两个接点的温度不同(t t0),则在该回路内就会产生热电动势,形成回路电流。这种现象称为塞贝克热电效应。 如图8.3.2所示,导体A、B称为热电极(A为正极,B为负极)

1热电偶的测温原理    
1.1测温原理
   将两种不同的导体或半导体连接成如图8.3.1所示的闭合回路,如果两个接点的温度不同(t> t0),则在该回路内就会产生热电动势,形成回路电流。这种现象称为塞贝克热电效应。
 如图8.3.2所示,导体A、B称为热电极(A为正极,B为负极),一端采用焊接或铰接的方法连接在一起,感受被测温度,称为热电偶的热端,又称测最端或工作端;另一端通过导线与显示仪表相连,称为热电偶的冷端,又称参比端或自由端。
 热电动势由温差电动势[eA(t,t0)和eB(t,t0)]及接触电动势[eAB (t)和eAB (t0)]组成,如图8.3-1所示。因温差电动势远小于接触电动势,则总电动势eAB (t,t0)可取eAB (t)的方向为正向,表示为
          EAB(t,t0)= eAB (t)+ eB(t,t0)- eAB (t0)- eA(t,t0)    (8.3-1)
    接触电动势又称为珀耳帖电动势,其大小与接触点的温度以及导体中的自由电子密度有关,温度越高,接触电动势就越大;温差电动势又称为汤姆逊电动势;其大小与热电极两端的温差以及热电极的自由电子密度有关。
    在导体材料一定的情况下,回路中的热电动势仪随两个接点的温度变化而变化。如果将一端(参比端)的温度(t0)固定,回路中的热电动势就与另一端(测量端)的温度(t)成单值函数,即
           EAB(t,t0)=f(t)-f(t0)= f(t)-c=σ(t)        (8.3-2)
因此,只要测出回路中的总电动势EAB(t,t0),就能求出被测温度t。
通常分度时,将热电偶的参比端温度t0固定在0"C。这样,就可将热电动势与温度的关系列成表格(即分度表),或绘制成热电特性曲线,也可以整理成内插公式。
1.2热电偶的基本定律
  1.均质导体定律
   由一种均质导体(或半导体)组成的闭合回路,不论导体(或半导体)的截面和长度以及各处的温度如何,都不能产生热电动势。
    该定律说明,任何热电偶都必须由两种性质不同的导体构成。另外,若热电极材料是非均质的,相当于不同性质热电极构成的热电偶,将造成测量误差。
   根据政定律,可以检验两个热电极的材料成分是否相同(同名极法),也可以检查热电偶材料的均匀性。
 2.中间导体定律
   如图8.3-3所示,在热电偶回路中加人第三种导体C,只要这第三种导体材料两端的温度相同,热电偶产生的热电动势就保持不变,即
              EABc(t,t0)= eABc(t,t0)            (8.3-3)
根据该定律,可以在热电偶同路中直接接人各种类型的显示仪表或控制器(见图8.3-2),也可以将热电偶的测量端不经焊接而直接插入液态金属中,或者直接焊在金属表面来测量温度。
 3.中间温度定律
 在热电偶回路中,若导体A、B分别与导体A’、B’相接,接点温度分别为t、tN和t0 (见图8.3-4),则回路的总电动势为
           EABB'A' (t,tn,t0)= eAB(t,tn)+ eA'B'(tn,to)           (8.3-4)
    当导体A与A’,B与B’的材料相同或材料虽不同,但产生的热电动势相同时,热电偶回路的总电动势就不受中间温度tn的影响,而仅与热端温度t和冷端温度to有关。
 根据该定律,可以在热电偶四蹄中运用补偿导线来对热电偶的冷端进行延伸,以降低成本和提高测量精度。
  4.标准电极定律
   如图8.3-5所示,若导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶,热端温度均为t,冷端温度均为t0,产生的热电动势分别为EAC(t,t0)和EBC(t,t0),则由导体A、B组成的热电偶产生的热电动势为
                    EAB(t,t0)=EAC(t,t0)-EBC (t,t0)          (8.3-5)
    导体C的材料一般选用纯铂,称为标准电极。
    根据该定律,只要知道某些材料与标准电极相配的热电动势,就可以求出任何两种材料组成热电偶的热电动势,从而大大简化了