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热电偶的测温原理和热电动势的检测

更新时间:2014-11-17      浏览次数:4211

热电偶及其测温原理

(1)热电偶的测温原理将两种材质不同的导体或半导体A、B连接成闭合回路就构成了热电偶。热电偶的测温原理是基于热电效应,即只要热电偶两端的温度不同,则在热电偶 闭合回路中就产生热电动势,这种现象就称为热电效应。热电偶回路中的热电动势由接触电

动势和温差电动势两部分组成,如图2-15所示。

图中,接触电动势是由两种不同材质的导体A、B在接触时产生的电子扩散而形成。假设导体A中自由电子的浓度大 于导体B中自由电子的浓度,在开始接触的瞬间,导体A向 导体B扩散的电子数将多于导体B向导体A扩散的电子数, 因而使导体A失去较多的电子而带正电荷,导体B则带负电荷,结果导致接触面处产生电场,该电场将阻碍电子在导体B 中的进一步积累,zui后达到平衡。平衡时在A、B两个导体间 形成的电位差就称为接触电动势,其大小与两种导体的材质和接点的温度有关。温差电动势则是指同一导体由于两端温度不 同而导致电子具有不同的能量所产生的电势差。由此可知,热电偶闭合回路中的热电动势为接触电动势与温差电动势之和,即可表示为

式中,等式右边前两项为接触电动势,后两项为温差电动势。理论研究表明,温差电动势比 接触电动势小得多,所以热电动势通常以接触电动势为主,式(2-18)即可近似为

由式(2-19)可知,当材质一定且冷端温度&不变时,热端温度与热电动势成单值对 应的反函数关系,即

式(2-20)表明,只要测出热电动势的大小,即可确定被测温度的高低,这就是热电偶

的测温原理。

根据上述分析可得到三点重要结论:①若组成热电偶的电极材料相同,则无论热电偶 冷、热两端的温度如何,总热电动势为零;②若热电偶冷、热两端的温度相同,则无论电极材料如何,总热电动势也为零;③热电偶的热电动势除了与冷、热两端的温度有关外,还与 电极材料有关。换句话说,由不同电极材质制成的热电偶在相同温度下产生的热电动势是不同的。

(2)热电动势的检测与第三导体定律在实际使用中,为了测出热电动势,则必须在热电偶回路中接入检测仪表与导线(简称第三导体),如 图2-16所示。

接入第三导体后是否对热电偶的热电动势产生影响? 分析如下:由图2-16可知,接入第三导体后热电偶回路中的总热电动势为

由式(2-23)可见,在热电偶回路中接入第三种导体时,只要第三导体的两个接点温度 相同,回路中热电动势值不变,热电偶的这一性质被称为第三导体定律。第三导体定律在实 际应用中有着重要意义,即依据它可以很放心地在热电偶中接入所需的检测仪表和导线,只 要使两个接点的温度相同即可对热电动势进行测量而不影响热电偶的输出。

(3)冷端延伸与等值替换原理由热电偶的测温原理还知,只有在热电偶的冷端温度

保持不变时,热电动势才与被测温度具有单值对应关系。由于 制作热电偶的热电材料价格昂贵,不可能将热电偶的电极做得 很长,结果导致冷端温度受被测温度的影响较大而不斯变化。 为了使冷端远离热端,在工程上常用的“补偿导线”与热 电偶的冷端相连,将冷端延伸到温度相对稳定的环境内而不影 响热电偶的热电动势。这样做的理论依据被称为“等值替换” 原理,分析如下。

如图2-17所示,图b为全部用贵重金属材料A、B制成的 热电偶;图a为由补偿导线C、D和贵重金属材料A、B共同制成的热电偶,且满足

图a而言,热电回路的总热电动势为

因而有

由式(2-24)可知,将满足EAB(tc,to)=ECD(tc,to)的“补偿导线”代替热电极,既可使冷端延伸,而且不会改变热电偶的热电动势,这就是所谓的“等值替换”原理。

补偿导线是由两根不同性质的廉价金属线制成的,一般在0 ~100℃;温度范围内要求它与所连接的热电偶具有几乎相同的热电性 能,补偿导线的连接如图2-18所示。

在选择和使用补偿导线时,要注意和热 电偶的型号相匹配,其极性不能接错。

(4)标准热电偶及其补偿导线常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大 类。标准热电偶是指按国家标准规定了其热 电动势与温度的关系、允许误差、并有统一 标准型号(称为分度号)的热电偶。非标准 热电偶是指用于特殊场合的热电偶,没有统 一的标准。按照;IEC标准,我国设计了 统一标准化热电偶,其中一部分如表2-3所示。

①热电偶材料中的前者表示正极,后者表示负极。

②补偿导线型号的*个字母表示配套的热电偶型号;第二个字母“c”表示补偿型补偿导线,“x”表示延伸型 补偿导线,即补偿导线的材料与热电偶的材料相同。

③铂铑10表示铂占90%,铑占10%,以此类推。

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