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              熱電偶的工作原理及補償原理

              2021年03月01日 人閱讀

              熱電偶的原理可用圖1-1來說明。當兩種不同的導體或半導體連接成閉合回路時,若兩個接點溫度不同,回路中就會出現熱電動勢,并產生電流,熱電偶的工作原理及補償原理。

              熱電偶的工作原理及補償原理

              圖1-1熱電偶的原理

              從物理上看,這一熱電動勢包括接觸電動勢和溫差電動勢兩部分,但主要是由接觸電動勢組成的。當兩種不同導體A、B接觸時,由于兩邊的自由電子密度不同,在交界面上產生電子的相互擴散。若A中自由電子密度大于B中的密度,那么在開始接觸的瞬間,從A向B擴散的電子數目將比B向A擴散的多,使A失去較多的電子而帶正電荷,相反,B帶負電荷。致使在A、B接觸處產生電場,以阻礙電子在B中的進一步積累,zui后達到平衡。平衡時,在A、B兩導體間的電位差稱為接觸電動勢,其數值決定于兩種材料的種類和接觸點的溫度。

              圖1-1表示的熱電偶回路中,在溫度不同的兩個接點上,分別存在兩個數值不同的接觸電動勢AB ( 7)及eAB ( To) ,回路中的總電動勢為

              E(T,T)=eAn( T')—eAs( T,)

              式中,e的下標表示電動勢的方向,eAB表示由A到B的電動勢。

              對一定的熱電偶材料,若將一端溫度To維持恒定(這個接點稱為自由端或冷端),而將另―端插在需要測溫的地方,則熱電動勢E為測溫端溫度T(這個接點又稱為工作端或熱端)的單值函數,盹表或儀器測定此熱電動勢的數值,便可確定被測溫度T.

              在實際使用熱電偶測溫時,總要在熱電偶回路中插入測量儀表和使用各種導線進行連接,也就是說總要在熱電偶回路中插入其他種類的導體。下面研究插入另一種導體是否影響熱電動勢E的數值。在圖1-2中,除熱電偶兩種材料A、B外,又插入第三種導體C組成閉合回路,設A、B的接觸點溫度為T,A、C和B、C兩處接觸點的溫度為To,則回路中總電動勢為

              E=eAB(T)+ewc( T。)+eca( T,) (1-2)

              若各接點溫度都相同,即T=To,則由熱力學第二定律可推斷,此時總電動勢E論為零。因為此時如果有電動勢E存在,必有電流流動,使回路中某一部分加熱。在沒有外界做功的條件下,這種熱量自動由溫度低處流向高處的現象是不可能發生的。

              因此可寫出

              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)

              這仍然是式(1-1)的結果。由此可知,只要接入第三種導體的兩個連接點溫度相等,它的接入對回路電動勢毫無影響。這一結論在使用上有著重要的意義。據此,我們可放心地在溫度相同的電路中插入各種儀表和導線進行測量。

              下面討論熱電偶的材料。原則上說,隨便兩種不同的導體焊在一起,都會出現熱電動勢。這并不是說所有熱電偶都具有實用價值,能被大量采用的材料必須在測溫范圍內具有穩定的化學及物理性質,熱電動勢要大,且與溫度接近線性關系。

              為統一各國生產的熱電偶種類及其特性,以便互換和替代,國際電工委員會(IEC)于1977年制定了熱電偶的國際標準,規定了標準的熱電動勢—溫度特性分度表。此前,我國長期按前蘇聯的國家標準生產熱電偶,IEC標準推出后,我國決定按國際標準生產,并制定了相應的我國國家標準,從1986年起,在生產和使用中全面貫徹新的國家標準。表1-1列出了幾種常用的我國標準型熱電偶的材料、分度號及主要特性。

              表中,鉑及其合金屬于貴重金屬,其組成的熱電偶價格很貴。它的優點是熱電動勢非常穩定,故主要用作標準熱電偶及測量1100°℃以上的高溫。在普通金屬熱電偶中,鎳鉻—鎳硅的電動勢溫度關系線性度zui好,鎳鉻—康銅的靈敏度zui高,銅—康銅的價格zui便宜。除表中所列出的常用熱電偶外,我國還能生產許多新型熱電偶,如可用來測量2800°℃的鎢辣超高溫熱電偶,以及測-270°℃的金鐵一鎳鉻低溫熱電偶等。

              熱電偶測溫的誤差,在低溫段大約為1~2.5°℃,高溫段相對誤差大約為0.25%~1%。例,Ⅰ級鉑銬10—鉑熱電偶在0~1100℃間的允許誤差為±1°℃,溫度高于1100℃時約為±0.4%T (℃)。使用熱電偶時必須十分注意其適用條件,在有害的氣氛環境下,熱電特性會急劇變化,產生很大的測量誤差。圖1-3給出了幾種常用的熱電偶特性。

              熱電偶補償原理

              圖1-3幾種常用熱電偶的特性(冷端溫度為0℃)

              為了延長熱電偶的使用壽命,常在熱電偶絲外面套上金屬或石英、陶瓷等制成的保護套管,以隔離有害氣體和物質對熱電偶的損害。但加套管后,熱電偶測溫的滯后加大。根據結構的不同,一般熱電偶的時間常數約為1.5~4分鐘。特殊結構的小慣性熱電偶的時間常數約為幾秒,快速薄膜熱電偶的時間常數則為毫秒級。

              熱電偶的熱電動勢大小不僅與測量端溫度有關,還決定于自由端(冷端)的溫度。所以,使用熱電偶時常需保持冷端溫度恒定,例如將冷端置于冰瓶內,由冰水混合物保證0℃的穩定溫度。在工業測量儀表中,通常在電路中引入一個隨冷端溫度變化的附加電動勢,自動補償冷端溫度的變化,以保證測量精度??紤]到冷端恒溫器或電動勢補償裝置通常離測量點較遠,在使用較貴的熱電偶時,如果全用熱偶絲從測量點引至恒溫器,代價將太高。為了節約,工業上選用在較低溫度下(100℃以下)與所用熱電偶的熱-電特性相近的廉價金屬,作為熱偶絲在低溫區的替代品,稱為補償導線,其接法如圖1-4所示。這樣,熱偶絲只要引至溫度100°C以下的地方,其余的長度可用廉價的補償導線來延伸。例如,貴金屬鉑姥—鉑熱電偶,可用銅(正極)和銅鎳合金(負極)作補償導線,將冷端延伸到離測點較遠的地方。工業上,各種補償導線有規定的顯著顏色可供辨認,使用時要注意正負極性不能接錯。

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