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热电偶的工作原理及补偿原理

2021年03月01日 人阅读

热电偶的原理可用图1-1来说明。当两种不同的导体或半导体连接成闭合回路时,若两个接点温度不同,回路中就会出现热电动势,并产生电流,热电偶的工作原理及补偿原理

热电偶的工作原理及补偿原理

图1-1热电偶的原理

从物理上看,这一热电动势包括接触电动势和温差电动势两部分,但主要是由接触电动势组成的。当两种不同导体A、B接触时,由于两边的自由电子密度不同,在交界面上产生电子的相互扩散。若A中自由电子密度大于B中的密度,那么在开始接触的瞬间,从A向B扩散的电子数目将比B向A扩散的多,使A失去较多的电子而带正电荷,相反,B带负电荷。致使在A、B接触处产生电场,以阻碍电子在B中的进一步积累,zui后达到平衡。平衡时,在A、B两导体间的电位差称为接触电动势,其数值决定于两种材料的种类和接触点的温度。

图1-1表示的热电偶回路中,在温度不同的两个接点上,分别存在两个数值不同的接触电动势AB ( 7)及eAB ( To) ,回路中的总电动势为

E(T,T)=eAn( T')—eAs( T,)

式中,e的下标表示电动势的方向,eAB表示由A到B的电动势。

对一定的热电偶材料,若将一端温度To维持恒定(这个接点称为自由端或冷端),而将另―端插在需要测温的地方,则热电动势E为测温端温度T(这个接点又称为工作端或热端)的单值函数,盹表或仪器测定此热电动势的数值,便可确定被测温度T.

在实际使用热电偶测温时,总要在热电偶回路中插入测量仪表和使用各种导线进行连接,也就是说总要在热电偶回路中插入其他种类的导体。下面研究插入另一种导体是否影响热电动势E的数值。在图1-2中,除热电偶两种材料A、B外,又插入第三种导体C组成闭合回路,设A、B的接触点温度为T,A、C和B、C两处接触点的温度为To,则回路中总电动势为

E=eAB(T)+ewc( T。)+eca( T,) (1-2)

若各接点温度都相同,即T=To,则由热力学第二定律可推断,此时总电动势E论为零。因为此时如果有电动势E存在,必有电流流动,使回路中某一部分加热。在没有外界做功的条件下,这种热量自动由温度低处流向高处的现象是不可能发生的。

因此可写出

e AR( T。)+ec( T。)+ecA( T,)—0

所以

eTxc(T。)十eca ( T。)=—eAB ( T。)

代入式(1-2)得

=eAB ( 7) -eAB ( To)

这仍然是式(1-1)的结果。由此可知,只要接入第三种导体的两个连接点温度相等,它的接入对回路电动势毫无影响。这一结论在使用上有着重要的意义。据此,我们可放心地在温度相同的电路中插入各种仪表和导线进行测量。

下面讨论热电偶的材料。原则上说,随便两种不同的导体焊在一起,都会出现热电动势。这并不是说所有热电偶都具有实用价值,能被大量采用的材料必须在测温范围内具有稳定的化学及物理性质,热电动势要大,且与温度接近线性关系。

为统一各国生产的热电偶种类及其特性,以便互换和替代,国际电工委员会(IEC)于1977年制定了热电偶的国际标准,规定了标准的热电动势—温度特性分度表。此前,我国长期按前苏联的国家标准生产热电偶,IEC标准推出后,我国决定按国际标准生产,并制定了相应的我国国家标准,从1986年起,在生产和使用中全面贯彻新的国家标准。表1-1列出了几种常用的我国标准型热电偶的材料、分度号及主要特性。

表中,铂及其合金属于贵重金属,其组成的热电偶价格很贵。它的优点是热电动势非常稳定,故主要用作标准热电偶及测量1100°℃以上的高温。在普通金属热电偶中,镍铬—镍硅的电动势温度关系线性度zui好,镍铬—康铜的灵敏度zui高,铜—康铜的价格zui便宜。除表中所列出的常用热电偶外,我国还能生产许多新型热电偶,如可用来测量2800°℃的钨辣超高温热电偶,以及测-270°℃的金铁一镍铬低温热电偶等。

热电偶测温的误差,在低温段大约为1~2.5°℃,高温段相对误差大约为0.25%~1%。例,Ⅰ级铂铐10—铂热电偶在0~1100℃间的允许误差为±1°℃,温度高于1100℃时约为±0.4%T (℃)。使用热电偶时必须十分注意其适用条件,在有害的气氛环境下,热电特性会急剧变化,产生很大的测量误差。图1-3给出了几种常用的热电偶特性。

热电偶补偿原理

图1-3几种常用热电偶的特性(冷端温度为0℃)

为了延长热电偶的使用寿命,常在热电偶丝外面套上金属或石英、陶瓷等制成的保护套管,以隔离有害气体和物质对热电偶的损害。但加套管后,热电偶测温的滞后加大。根据结构的不同,一般热电偶的时间常数约为1.5~4分钟。特殊结构的小惯性热电偶的时间常数约为几秒,快速薄膜热电偶的时间常数则为毫秒级。

热电偶的热电动势大小不仅与测量端温度有关,还决定于自由端(冷端)的温度。所以,使用热电偶时常需保持冷端温度恒定,例如将冷端置于冰瓶内,由冰水混合物保证0℃的稳定温度。在工业测量仪表中,通常在电路中引入一个随冷端温度变化的附加电动势,自动补偿冷端温度的变化,以保证测量精度。考虑到冷端恒温器或电动势补偿装置通常离测量点较远,在使用较贵的热电偶时,如果全用热偶丝从测量点引至恒温器,代价将太高。为了节约,工业上选用在较低温度下(100℃以下)与所用热电偶的热-电特性相近的廉价金属,作为热偶丝在低温区的替代品,称为补偿导线,其接法如图1-4所示。这样,热偶丝只要引至温度100°C以下的地方,其余的长度可用廉价的补偿导线来延伸。例如,贵金属铂姥—铂热电偶,可用铜(正极)和铜镍合金(负极)作补偿导线,将冷端延伸到离测点较远的地方。工业上,各种补偿导线有规定的显著颜色可供辨认,使用时要注意正负极性不能接错。

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