耐磨熱電偶測(cè)溫工作原理及注意事項(xiàng)

熱電偶( thermocouple)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確度較高、裸絲熱容zui小、材料的互換性好等優(yōu)點(diǎn)。利用熱電偶作為傳感器的熱電偶溫度計(jì)測(cè)溫范圍低溫可至4K,高溫可達(dá)2800c. 熱電偶能進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)量，其輸出信號(hào)能夠遠(yuǎn)距離傳送.便于檢測(cè)和控制。因此熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用。
熱電效應(yīng)
把兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接成閉合回路，如圖 2-21所示，如果將它們的兩個(gè)接點(diǎn)分別置于不同的溫度，則在該回路就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng).或稱塞貝克效應(yīng)(Seebeck)。產(chǎn)生的電勢(shì)通稱為熱電勢(shì)，記作 EAB(T, To)。熱電阻

 
熱電偶是熱電偶溫度計(jì)的敏感元件，它測(cè)溫的基本原理是基于熱電效應(yīng)。如圖2-21所示，把兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A和B連接成閉合回路，當(dāng)兩接點(diǎn)1與2的溫度不同時(shí)，如 T> T。.則回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)EAs (T,T0)。導(dǎo)體A, B稱為熱電極，其中，A表示熱電偶的正極;B表示負(fù)極。兩熱電極A和B的組合稱為熱電偶。在兩個(gè)接點(diǎn)中.接點(diǎn)，是將兩電極焊在一起，測(cè)溫時(shí)將它放人被側(cè)對(duì)象中感受被側(cè)沮度，故稱之為測(cè)量端、熱端或工作端;接點(diǎn) 2處于環(huán)境之中，要求溫度恒定，故稱之為參考端、冷端或自由端。
熱電偶就是通過(guò)側(cè)zui熱電勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫的。該熱電勢(shì)由兩部分組成:接觸電勢(shì)(又稱拍爾帖電勢(shì))與溫差電勢(shì)(又稱湯姆遜電勢(shì))
兩種導(dǎo)體的接觸電勢(shì)
接觸電勢(shì)是基于帕爾帖(Peltier)效應(yīng)產(chǎn)生的，即由于兩種不同的導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子由密度大的導(dǎo)體向密度小的擴(kuò)散，直至達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡為止而形成的熱電勢(shì)。自由電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度和所處的溫度成正比。
設(shè)導(dǎo)體A與B的自由電子密度分別為NA NB，并且NA, >NB。則在單位時(shí)間內(nèi)，由導(dǎo)體A 擴(kuò)散到導(dǎo)體B的自由電子數(shù)比從B擴(kuò)散到A的自由電子數(shù)多.導(dǎo)體A因失去電子而帶正電，導(dǎo)體B因獲得電子而帶負(fù)電，因此，在A和B間形成了電勢(shì)差。這個(gè)電勢(shì)在A, B接觸處形成一個(gè)靜電場(chǎng)，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)進(jìn)行。在某一溫度T下，電子擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)的阻力達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)在接點(diǎn)處形成接觸電勢(shì).并表示為熱電偶。

式中EAB(T)—導(dǎo)體A和B在溫度T時(shí)的接觸電勢(shì)，v;
T一接點(diǎn)處溫度，K;
k—玻耳茲曼常數(shù)，;
e—單位電荷.;
NAT—導(dǎo)體A在溫度T時(shí)的自由電子密度，cm-3
NBT—導(dǎo)體B在溫度T時(shí)的自由電子密度，cm-3
注意:接觸電勢(shì)EAB(T)腳碼AB的順序代表電位差的方向。如果改變腳碼的順序.電勢(shì) "E”前面的符號(hào)也應(yīng)隨之改變，即在熱電勢(shì)符號(hào)“E"前加“-”號(hào)。
從式(2-83)中看出，接觸電勢(shì)的大小與接點(diǎn)溫度的高低以及導(dǎo)體A和B的自由電子密度有關(guān)。溫度越高，接觸電勢(shì)越大，兩種導(dǎo)體自由電子密度的比值越大，接觸電勢(shì)也越大。當(dāng)A和B為同一種材質(zhì)時(shí)，則有EAA(T) =0
單一導(dǎo)體中的溫差電勢(shì)
溫差電勢(shì)是基于湯姆遜效應(yīng)(Tomson )產(chǎn)生的，即同一導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。
設(shè)導(dǎo)體A兩端溫度分別為T(mén)和To ,且T>T.。此時(shí)形成溫度梯度.使高溫端的自由電子能量大于低溫端的自由電子能zui，因此從高a端擴(kuò)散到低溫端的自由電子數(shù)比從低溫端擴(kuò)散到高溫端的要多.結(jié)果高溫端因失去自由電子而帶正電荷，低溫端因獲得自由電子而帶負(fù)電荷。因而，在同一導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生電位差，并阻止自由電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，zui后使自由電子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)平衡，此時(shí)所形成的電位差稱為A差電勢(shì).用下式表示

 
式中，EA, (T, T。,)為導(dǎo)體A兩端溫度各為T(mén)和T。 (T > To)時(shí)的溫差電勢(shì)，V。,
同理，當(dāng)導(dǎo)體B兩端溫度分別為T(mén)和To.且T>T0時(shí)，也將產(chǎn)生溫差電勢(shì)。從式(2-84) 可見(jiàn)，溫差電勢(shì)的大小取決于熱電極兩端的溫差和熱電極的自由電子密度，而自由電子密度又與熱電極材料成分有關(guān)。溫差越大，溫差電勢(shì)也越大。當(dāng)熱電極兩端溫度相同時(shí)，溫差電勢(shì)為零，即EA, (T, To)=0
熱電偶閉合回路的總電勢(shì)
 
如圖2-22所示的熱電偶閉合回路中將產(chǎn)生兩個(gè)溫差電勢(shì)EA(T,T。), EB(T,T。.)及兩個(gè)接觸電勢(shì)EAB(T) . EAB(To)。設(shè)T>To, NA>NB，由于溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小，所以在熱電偶回路總電勢(shì)中，以導(dǎo)體A和R在熱端的接觸電勢(shì)EAB ( T)所占百分比zui大，決定了回路總電勢(shì)，即熱電勢(shì)的方向，這時(shí)總的熱電勢(shì)EAB(T，To)可寫(xiě)成

由式(2-86)可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與自由電子密度及兩接點(diǎn)溫度有關(guān)。自由電子密度不僅取決于熱電偶材料特性，而且隨溫度變化而變化，它們并非常數(shù)。所以，當(dāng)熱電偶材料一定時(shí)，熱電勢(shì)EAB(T,T。)成為溫度T和To的函數(shù)差，即

如果能使冷端溫度To固定，即f( TO)=C(常數(shù))，則對(duì)確定的熱電偶材料，其熱電勢(shì) EAB(T,To)就只與熱端溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，即補(bǔ)償導(dǎo)線

 
這種特性稱為熱電偶的熱電特性，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法求得。由此可見(jiàn)，當(dāng)保持熱電偶冷端沮度To不變時(shí)，只要用儀表測(cè)得熱電勢(shì)EAB ( T, T。, )，就可求得被測(cè)溫度T。
溫標(biāo)規(guī)定:在To = 0℃時(shí).用實(shí)驗(yàn)的方法測(cè)出各種不同熱電極組合的熱電偶在不同的工作溫度下所產(chǎn)生的熱電勢(shì)值，并制成一張張表格，這就是常說(shuō)的分度表。溫度與熱電勢(shì)之間的關(guān)系也可以用函數(shù)關(guān)系表示，稱為參考函數(shù)。新的N際溫標(biāo)ITS-90的分度表和參考函數(shù)是
由電工委員會(huì)和計(jì)量委員會(huì)合作安排，上有的研究機(jī)構(gòu)(包括中國(guó)在內(nèi)) 共同參與完成的，它是熱電偶測(cè)溫的主要依據(jù)。有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度表和參考函數(shù)詳見(jiàn)附錄 A和附錄B。
結(jié)論
由以上熱電偶的測(cè)溫原理，可得:
(1)熱電偶測(cè)溫三要素，即不同材質(zhì)、不同溫度和閉合回路，三者缺一不可。
(2)若f( To)固定.則EAB(T.TO)是被測(cè)溫度T的單值函數(shù)。
(3)冷端溫度恒定與否，決定了測(cè)溫的準(zhǔn)確度高低。 由式(2-86)可見(jiàn)，熱電偶熱電勢(shì)與溫度之間的關(guān)系是非線性的，二者之間嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù)另系難以準(zhǔn)確得到.只能依據(jù)溫標(biāo)用實(shí)驗(yàn)的方法得到，即制成熱電偶分度表 春輝集團(tuán)提供！