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熱電阻溫度計和熱電偶溫度計的工作原理

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熱電溫度計以熱電偶作為測溫元件測得與溫度相應(yīng)的熱電動勢由儀表顯示出溫度值。它廣泛用來測量-200℃~ 1300℃范圍內(nèi)的溫度,特殊情況下,可測至2800℃的高溫或4K的低溫。它具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、準(zhǔn)確度高、測溫范圍廣等特點(diǎn)。由于熱電偶將溫度轉(zhuǎn)化成電量進(jìn)行檢測,使溫度的測量、控制以及對溫度信號的放大、變換都很方便,適用于遠(yuǎn)距離測量和自動控制。在接觸式測溫法中,熱電溫度計的應(yīng)用zui普遍。
(1) 熱電偶測溫原理 
熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。
將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路,當(dāng)兩個接點(diǎn)電1 和2的溫度不同時,如果T>T0 ,在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢,并在回路中有一定大小的電流,此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。該電動勢就是的“塞貝克溫差電動勢”,簡稱“熱電動勢”,記為EAB,導(dǎo)體A,B稱為熱電極。接點(diǎn)1通常是焊接在一起的,測量時將它置于測溫場所感受被測溫度,故稱為測量端(或工作端熱端)。接點(diǎn)2要求溫度恒定,稱為參考端(或冷端)。由兩種導(dǎo)體的組合并將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。

熱電動勢是由兩種導(dǎo)體的接觸電勢(珀?duì)栙N電勢)和單一導(dǎo)體的溫差電勢(湯姆遜電勢)所組成。熱電動勢的大小與兩種導(dǎo)體材料的性質(zhì)及接點(diǎn)溫度有關(guān)。
導(dǎo)體內(nèi)部的電子密度是不同的,當(dāng)兩種電子密度不同的導(dǎo)體A與B接觸時,接觸面上就會發(fā)生電子擴(kuò)散,電子從電子密度高的導(dǎo)體流向密度低的導(dǎo)體。電子擴(kuò)散的速率與兩導(dǎo)體的電子密度有關(guān)并和接觸區(qū)的溫度成正比。設(shè)導(dǎo)體A和B的自由電子密度為NA和NB,且NA>NB,電子擴(kuò)散的結(jié)果使導(dǎo)體A失去電子而帶正電,導(dǎo)體B則獲得電子而帶負(fù)電,在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子的擴(kuò)散,達(dá)到動平衡時,在接觸區(qū)形成一個穩(wěn)定的電位差,即接觸電勢,其大小為
  
(8.2-2)

式中k——玻耳茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K;
e——電子電荷量,e=1.6×10-19 C;
T——接觸處的溫度,K;
NA,NB——分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。
因?qū)w兩端溫度不同而產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電勢。由于溫度梯度的存在,改變了電子的能量分布,高溫端(T)電子將向低溫端(T0)擴(kuò)散,致使高溫端因失去電子帶正電,低溫端因獲電子而帶負(fù)電。因而在同一導(dǎo)體兩端也產(chǎn)生電位差,并阻止電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散,于是電子擴(kuò)散形成動平衡,此時所建立的電位差稱為溫差電勢即湯姆遜電勢,它與溫度的關(guān)系為
 
(8.2-3)

式中σ為湯姆遜系數(shù),表示溫差1℃所產(chǎn)生的電動勢值,其大小與材料性質(zhì)及兩端的溫度有關(guān)。
導(dǎo)體A和B組成的熱電偶閉合電路在兩個接點(diǎn)處有兩個接觸電勢eAB(T)與eAB(T0),又因?yàn)門>T0,在導(dǎo)體A和B中還各有一個溫差電勢。所以閉合回路總熱電動勢EAB(T,T0)應(yīng)為接觸電動勢和溫差電勢的代數(shù)和,即:
 
(8.2-4)

對于已選定的熱電偶,當(dāng)參考溫度恒定時,總熱電動勢就變成測量端溫度T的單值函數(shù),即EAB(T,T0)=f(T)。這就是熱電偶測量溫度的基本原理。

專業(yè)生產(chǎn):耐震壓力表 磁性浮子液位計 遠(yuǎn)傳溫度計 二等標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計

 魏志剛

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