文档介绍：第八节热电式温度计
热电式传感器是指将温度变化转化为电量变化的原件和装置。热电式传感器有许多种类,如热电偶、、热电阻、集成温度传感器等。本节主要介绍热电偶和热电阻。
一、热电偶
热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表。它的测量范围广、结构简单、使用方便,测温准确可靠,便于信号的远传、自动记录和集中控制,因而在工业生产和科研领域中应用极为普遍。
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热电偶温度计是由热电偶、连接导线及显示仪表三部分组成。下图是最简单的热电偶温度计测温系统示意图。
(一)热电偶的测温原理
热电偶是由两种不同的导体(或半导体)材料焊接或绞接(见下图)而成,焊接的一端与被测介质充分接触,感受被测温度,称为热电偶的工作端或热端;另一端与导线连接,称为自由端或冷端。导体A、B称为热电极。
热电效应:将热电偶热端加热,使得冷、热两端温度不同,则在该热电偶回路中就会产生热电势,这种物理现象叫热电效应。
在热电偶回路中产生的热电势有温差电势和接触电势两部分组成。
(1)温差电势它是在同一导体材料的两端因其温度不同,自由电子分布不均匀,而产生温差电动势。记为e(t,t0)。此电势只与导体性质和导体两端的温度有关,而与导体长度、截面大小及沿导体长度上的温度分布无关。
(2)接触电势:
它是两种电子密度不同的导体相互接触时产生的一种热电势。
当两种不同的导体A和B相接触时,其自由电子密度不等,则在两导体的接触面上,有电子扩散现象因而产生接触电势,记为eAB(t)。
接触电势只与两种导体的性质和接触点的温度有关,当两种导体的材料一定,接触电势仅与其接触点的温度有关。温度越高,导体中的电子就越活跃,由A导体扩散到B导体的电子数就越多,致使接触面处所产生的电场强度越高,因而接触电势也就越大。
导体A和B相接触时,其自由电子密度不等,则在两导体的接触面上,有电子扩散现象因而产生接触电势,记为eAB(t)。
综上所述,由A、B两种不同导体组成的热电偶回路中,如果两接触点的温度不同,假设 t>t0,电子密度 NA>NB,则存在两个温差电势eA(t,t0)和eB(t,t0),两个接触电势eAB(t)和eAB(t0),各电势的方向示于图中。
由图中可知,两个温差电势的方向相反,两个接触电势的方向也相反,因温差电势往往远小于接触电势,所以常常把它忽略不计.
电路中的总电势EAB(t,t0)可表示为:
EAB(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0)
下脚注AB的顺序表示热电势的方向,A表示为正极(电子密度大的)导体,B表示为负极(电子密度小的)导体,t表示高温端,t0表示低温端。如果次序改变,则热电势前面的符号也应随之改变。即
eAB(t) =-eBA (t)
EAB(t,t0)=-EBA (t,t0) =-EAB(t0,t)
由热电偶回路中的总电势可知,当A、B两种材料确定之后,热电势仅与两接点的温度t和t0有关,如果t0端温度保持不变,即eAB(t0)为常数,则热电偶回路中的总电势就成为热端温度t的单值函数,只要测出EAB(t,t0)的大小,就能得到被测温度t,这就是利用热电现象来测温的原理。
说明:
如果组成热电偶回路的A、B 导体材料相同,则无论两接点温度如何,热电偶回路内的总电势为零。
如果热电偶两端温度相同,尽管A、B两导体材料不同,热电偶回路内的总电势也为零。
热电偶回路中的热电势除了与两接点处的温度有关外,还与热电极的材料有关,也就是说不同热电极材料制成的热电偶在相同温度下产生的热电势是不同的,参见各种热电偶分度表。
(3)引入第三种导体的问题
为了测量热电偶产生的热电势,必须要用导线与显示仪表构成闭合回路,这样就在热电偶回路中加入了第三导体,而第三导体的引入又构成了新的接点,如下图中的点3和点4、点2和点3 ,引入第三导体后会不会影响热电偶的热电势呢?下面分别对以下两种情况进行分析。