熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、裸線熱容小、材料兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。 將熱電偶作為傳感器使用的熱電偶溫度計(jì)的測(cè)溫范圍從低溫到4K，從高溫到2800c。 熱電偶可以進(jìn)行多點(diǎn)溫度測(cè)量，其輸出信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳輸。 容易檢測(cè)和控制。 因此，熱電偶廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研。

熱電效應(yīng)

當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體與閉合電路連接，并且如圖2-21所示，使這兩個(gè)觸點(diǎn)處于不同溫度時(shí)，在這些電路中產(chǎn)生電勢(shì)，這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。 產(chǎn)生的電位統(tǒng)稱為熱電勢(shì)，記為EAB(T，To )。

熱電偶是熱電偶溫度計(jì)的傳感器，其溫度測(cè)量的基本原理是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)的。 如圖2-21所示，將兩種不同導(dǎo)體(或半導(dǎo)體) a和b與閉合電路連接，在兩個(gè)接點(diǎn)1和2的溫度不同的情況下，T>； t。 電路中產(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。 兩個(gè)熱電極a和b的組合叫做熱電偶。 在兩個(gè)觸點(diǎn)中，觸點(diǎn)焊接兩個(gè)電極，測(cè)溫時(shí)在人的被測(cè)對(duì)象中感受到被測(cè)側(cè)的灰度，因此被稱為測(cè)量端、熱端或工作端的觸點(diǎn)2處于環(huán)境中，要求溫度一定，因此被稱為基準(zhǔn)端、冷端或自由端。

熱電偶采用側(cè)zui熱電勢(shì)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。 該熱電勢(shì)由接觸電位(也稱為帕爾貼電位)和溫度差電位(也稱為湯姆森電位)這兩個(gè)部分構(gòu)成

兩種導(dǎo)體的接觸電位

接觸電位是由珀耳帖效應(yīng)引起的，是當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體接觸時(shí)，自由電子從密度大的導(dǎo)體向密度小的導(dǎo)體擴(kuò)散，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡所形成的熱電電位。 自由電子擴(kuò)散的速度與自由電子的密度和溫度成正比。

將導(dǎo)體a和b自由電子密度分別設(shè)為NA NB、NA時(shí)，>； NB。 單位時(shí)間內(nèi)從導(dǎo)體a向?qū)wb擴(kuò)散的自由電子數(shù)比從b向a擴(kuò)散的自由電子數(shù)多，導(dǎo)體a通過(guò)失去電子而帶正電，導(dǎo)體b通過(guò)得到電子而帶負(fù)電，因此能夠在a與b之間產(chǎn)生電位差。 該電位在a、b的接觸部形成靜電場(chǎng)，阻礙擴(kuò)散作用的繼續(xù)。 在某溫度t下，電子擴(kuò)散能力與靜電場(chǎng)電阻動(dòng)態(tài)平衡，在接點(diǎn)形成接觸電位.

式中eab(t)>； 導(dǎo)體a和b在溫度t下接觸電位，v；

t1接點(diǎn)溫度、k；

k>； 玻爾茲曼常數(shù)

e>； 單位電荷。 ；

NAT>； 導(dǎo)體a溫度t下的自由電子密度、cm-3

nbt>； 導(dǎo)體b溫度t下的自由電子密度、cm-3

注意:接觸電位EAB(T )的針腳代碼AB的順序表示電位差的方向。 改變腳碼的順序的話，電位“E&rdquo； 前面的符號(hào)也是熱電勢(shì)符號(hào)&ldquo； e "加&ldquo； -&rdquo； 號(hào)令。

根據(jù)式(2-83 )，接觸電位的大小與觸點(diǎn)溫度的高低和導(dǎo)體a和b的自由電子密度有關(guān)。 溫度越高，接觸電位越大，兩種導(dǎo)體的自由電子密度之比越大，接觸電位也越大。 在a和b為相同材質(zhì)的情況下，EAA(T) =0

單一導(dǎo)體中溫度差電位

溫差電位是基于湯姆森效應(yīng)( Tomson )而產(chǎn)生的，同一導(dǎo)體的兩端因其溫度而產(chǎn)生的熱電電位。

將導(dǎo)體a兩端溫度分別設(shè)為t和To，T>； t。 此時(shí)，形成溫度梯度。 因?yàn)槭垢邷囟说淖杂呻娮幽艽笥诘蜏囟说淖杂呻娮幽躾ui，所以從高a端向低溫端擴(kuò)散的自由電子數(shù)比從低溫端向高溫端擴(kuò)散的自由電子數(shù)多。 結(jié)果高溫端因失去自由電子而帶正電荷，低溫端因得到自由電子而帶負(fù)電荷。 因此，在同一導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電位差，阻止自由電子從高溫端向低溫端擴(kuò)散，在zui后使自由電子動(dòng)態(tài)平衡地?cái)U(kuò)散，將此時(shí)形成的電位差稱為a差電位.

式中，EA、( t、t )。 、將導(dǎo)體a的兩端溫度分別設(shè)為t和t。 ( T >； To )時(shí)的溫差電位，v。 ，

同樣，將導(dǎo)體b兩端溫度分別設(shè)為t和To .，T>； T0時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生溫差電位。 由式(2-84 )可知，溫度差電位的大小依賴于熱電極兩端的溫度差和熱電極的自由電子密度，自由電子密度與熱電極材料成分有關(guān)。 溫差越大，溫差電位也越大。 在熱電極兩端溫度相同的情況下，溫度差電位為零，即ea(t，To)=0

熱電偶閉合電路總電位

在熱電偶閉合電路中產(chǎn)生兩個(gè)溫度差電位EA(T，t )。 ( EB(T，t )。 .)和兩個(gè)接觸電位EAB(T) . EAB(To )。 T>； To，NA>； NB的溫度差電位比接觸電位小，因此熱電偶電路總電位中導(dǎo)體a和r的熱端的接觸電位EAB ( T )所占的比例zui大，決定電路總電位即熱電勢(shì)的方向，此時(shí)能夠?qū)懭肟偀犭妱?shì)EAB ( T，To )

由式(2-86 )可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與自由電子密度和兩觸點(diǎn)溫度有關(guān)。 自由電子密度不僅隨熱電偶的材料特性而變化，也隨溫度變化而變化，不是常數(shù)。 因此，在熱電偶材料恒定的情況下，熱電勢(shì)EAB(T，t )變?yōu)楹愣ā?)是溫度t和To的函數(shù)差，即

如果冷端溫度To可以是恒定的，即f( TO)=C (常數(shù))，則對(duì)于特定的熱電偶材料，熱電勢(shì)EAB(T，To )僅僅與熱端溫度具有恒定的值函數(shù)關(guān)系

該特性稱為熱電偶的熱電特性，可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)求出。 因此，在不改變熱電偶的冷端沮喪度To的情況下，只測(cè)量熱電勢(shì)EAB ( T，t )。 、可求出被測(cè)定溫度t。

國(guó)際溫度標(biāo)準(zhǔn): To = 0℃，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量各種熱電電極組合的熱電偶在不同工作溫度下產(chǎn)生的熱電勢(shì)值，制作表格，是常見(jiàn)的尺度表格。 溫度和熱電勢(shì)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際溫度標(biāo)準(zhǔn)ITS-90的索引表和參考函數(shù)

國(guó)際電工委員會(huì)和國(guó)際計(jì)量委員會(huì)合作安排，國(guó)際研究機(jī)構(gòu)(包括中國(guó))共同參與完成，是熱電偶測(cè)溫的主要依據(jù)。 關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的分度表和參考函數(shù)，詳情請(qǐng)參閱附錄a和附錄b。

結(jié)論

根據(jù)以上熱電偶的測(cè)溫原理

(1)熱電偶的測(cè)溫三要素，即材質(zhì)、溫度、閉合回路，三者必不可少。

( f( To )一定，則EAB(T.TO )是被測(cè)定溫度t的一值函數(shù)。

(3)冷卻溫度是否一定，決定測(cè)溫精度的高低。 由式(2-86 )可知，熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系是非線性的，兩者之間的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù)不能準(zhǔn)確得到。

本文熱電偶高頻詞： 溫差  電勢(shì) 

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