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(chēng)為熱電效應(yīng)。 產(chǎn)生的電位統(tǒng)稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)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(chēng)為帕爾貼電位)和溫度差電位(也稱(chēng)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(chēng)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(lài)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(chēng)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(chēng)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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