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熱電偶的熱電現象及基本定律

閱讀:6067        發布時間:2020-8-31

熱電偶溫度計由熱電偶、電測儀表和連接導線組成。它被廣泛用于測量-200~1300℃范圍內的溫度。在特殊情況下,可測至2800℃的高溫或4K的低溫。熱電偶能把溫度信號轉變為電信號,便于信號的遠傳和多點切換測量,具有結構簡單、制作方便、準確度高、熱慣性小等優點。

1. 熱電偶測溫原理

由兩種不同的導體或半導體A或B組成的閉合回路,如果使兩個接點處于不同的溫度t0t,則回路中就有電動勢出現,稱為熱電勢,這一現象稱為熱電效應。熱電勢是溫度t0t的函數,恒定接點溫度t0,則熱電勢是溫度t的單值函數,只要測得熱電勢的大小,便可得到被測溫度t

熱電勢由溫差電勢與接觸電勢組成。

溫差電勢:是指一根導體上因兩端溫度不同而產生的熱電動勢。同一導體兩端溫度不同時,高溫端(測量端、工作端、熱端)電子的運動速度大于低溫端電子(參比端、自由端、冷端)的運動速度,單位時間內高溫端失電子帶正電,低溫端得電子帶負電,高、低溫端之間形成一個從高溫端指向低溫端的靜電場。該電場阻止高溫端電子向低溫端的動;加大低溫端電子向高溫端的運動速度,當運動達到動態平衡時,導體兩端產生相應的電位差,該電位差稱為溫差電勢。溫差電勢的方向:由低溫端指向高溫端。

溫差電勢的大小:,,式中k為波爾茲曼常數;e為電子電量為導體內的電子密度,是溫度的函數;t、to是導體兩端的溫度。可見溫差電勢的大小與導體的性質和導體兩端溫度有關,而與導體長度、截面大小以及沿導體長度方向的溫度分布無關。

接觸電勢:是在兩種不同材料A和B的接觸點產生的。A、B材料有不同的電子密度,設導體A的電子密度nA大于導體B的電子密度nB,則從A擴散到B的電子數要比從B擴散到A的多,A因失電子而帶正電荷,B因得電子而帶負電荷,于是在A、B的接觸面上便形成一從A到B的靜電場。這個靜電場將阻礙電子的擴散運動,誘發電子的漂移運動,當擴散與漂移達到動態平衡時,在A、B接觸面上便形成了電位差,即接觸電勢。接觸電勢的方向:由電子密度小的導體指向電子密度大的導體;

接觸電勢的大小:,式中:k為波爾茲曼常數,e為電子電量。溫度越高,接觸電勢越大,兩種導體電子密度比值越大,接觸電勢也越大。可見接觸電勢與兩導體的性質有關與接觸點的溫度有關,而與導體長度、截面大小、沿導體長度方向的溫度分布無關。

熱電偶回路的總電勢為:

即熱電勢是高溫端溫度及低溫端溫度的函數,若恒定低溫端溫度,則熱電勢是高溫端溫度的單值函數。通過測量熱電勢的大小可以得到被測(高溫端)溫度的數值。

2. 熱電偶回路的基本定律

1)均質導體定律

由一種均質導體或半導體組成的閉合回路,不論導體的長度、截面積如何以及沿長度方向的溫度分布如何,回路中都不可能產生熱電勢。

證明:已知:

因是均質導體,電子密度相同,所以

又因為,所以回路總電勢等于0。

結論(1)熱電偶必須由兩種不同性質的材料構成;(2)由一種材料組成的閉合回路存在溫差時,若回路中有熱電勢產生,則說明該材料是不均質的。——用于電極材料的均勻性檢測。

2)中間導體定律

在熱電偶回路中接入第三種、第四種、……均質導體,只要保證各導體的兩接入點的溫度相同,則這些導體的接入不會影響回路中的熱電勢。

證明:以在熱電偶回路中接入第三種均質導體C為例。保證兩接入點的溫度都為t0,如圖所示:回路電勢為:

其中:

故:

即C導體的加入不影響回路中的熱電勢。

結論(1)可以在熱電偶回路中接入連接導線和測量儀表;(2)可以方便熱電偶電極的選配;(3)可以進行表面溫度和液體介質溫度的開路測量。

3)中間溫度定律

接點溫度為t1和t3的熱電偶,它的熱電勢等于接點溫度分別為t1、t2和t2、t3的兩支同性質熱電偶的熱電勢的代數和,即熱電偶的熱電勢只與高溫端和低溫端的接點溫度有關,而與中間溫度無關。

結論:(1)可以對熱電偶的冷端溫度進行計算修正;(2)允許在熱電偶回路中接入補償導線。

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