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热电偶的热电现象及基本定律

点击次数:80  发布时间:2020-08-31

热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。它被广泛用于测量-200~1300℃范围内的温度。在特殊情况下,可测至2800℃的高温或4K的低温。热电偶能把温度信号转变为电信号,便于信号的远传和多点切换测量,具有结构简单、制作方便、准确度高、热惯性小等优点。

1. 热电偶测温原理

由两种不同的导体或半导体A或B组成的闭合回路,如果使两个接点处于不同的温度t0t,则回路中就有电动势出现,称为热电势,这一现象称为热电效应。热电势是温度t0t的函数,恒定接点温度t0,则热电势是温度t的单值函数,只要测得热电势的大小,便可得到被测温度t

热电势由温差电势与接触电势组成。

温差电势:是指一根导体上因两端温度不同而产生的热电动势。同一导体两端温度不同时,高温端(测量端、工作端、热端)电子的运动速度大于低温端电子(参比端、自由端、冷端)的运动速度,单位时间内高温端失电子带正电,低温端得电子带负电,高、低温端之间形成一个从高温端指向低温端的静电场。该电场阻止高温端电子向低温端的动;加大低温端电子向高温端的运动速度,当运动达到动态平衡时,导体两端产生相应的电位差,该电位差称为温差电势。温差电势的方向:由低温端指向高温端。

温差电势的大小:,,式中k为波尔兹曼常数;e为电子电量为导体内的电子密度,是温度的函数;t、to是导体两端的温度。可见温差电势的大小与导体的性质和导体两端温度有关,而与导体长度、截面大小以及沿导体长度方向的温度分布无关。

接触电势:是在两种不同材料A和B的接触点产生的。A、B材料有不同的电子密度,设导体A的电子密度nA大于导体B的电子密度nB,则从A扩散到B的电子数要比从B扩散到A的多,A因失电子而带正电荷,B因得电子而带负电荷,于是在A、B的接触面上便形成一从A到B的静电场。这个静电场将阻碍电子的扩散运动,诱发电子的漂移运动,当扩散与漂移达到动态平衡时,在A、B接触面上便形成了电位差,即接触电势。接触电势的方向:由电子密度小的导体指向电子密度大的导体;

接触电势的大小:,式中:k为波尔兹曼常数,e为电子电量。温度越高,接触电势越大,两种导体电子密度比值越大,接触电势也越大。可见接触电势与两导体的性质有关与接触点的温度有关,而与导体长度、截面大小、沿导体长度方向的温度分布无关。

热电偶回路的总电势为:

即热电势是高温端温度及低温端温度的函数,若恒定低温端温度,则热电势是高温端温度的单值函数。通过测量热电势的大小可以得到被测(高温端)温度的数值。

2. 热电偶回路的基本定律

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,不论导体的长度、截面积如何以及沿长度方向的温度分布如何,回路中都不可能产生热电势。

证明:已知:

因是均质导体,电子密度相同,所以

又因为,所以回路总电势等于0。

结论(1)热电偶必须由两种不同性质的材料构成;(2)由一种材料组成的闭合回路存在温差时,若回路中有热电势产生,则说明该材料是不均质的。——用于电极材料的均匀性检测。

2)中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种、第四种、……均质导体,只要保证各导体的两接入点的温度相同,则这些导体的接入不会影响回路中的热电势。

证明:以在热电偶回路中接入第三种均质导体C为例。保证两接入点的温度都为t0,如图所示:回路电势为:

其中:

故:

即C导体的加入不影响回路中的热电势。

结论(1)可以在热电偶回路中接入连接导线和测量仪表;(2)可以方便热电偶电极的选配;(3)可以进行表面温度和液体介质温度的开路测量。

3)中间温度定律

接点温度为t1和t3的热电偶,它的热电势等于接点温度分别为t1、t2和t2、t3的两支同性质热电偶的热电势的代数和,即热电偶的热电势只与高温端和低温端的接点温度有关,而与中间温度无关。

结论:(1)可以对热电偶的冷端温度进行计算修正;(2)允许在热电偶回路中接入补偿导线。

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