第九章2热电偶

§9-4热电偶一、热电效应B两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成如图所示的闭合回路。当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中即产生电动势，并有电流流通。A这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。T0T1、接触电动势（帕尔贴Peltier效应）)ln()(NNEBAABekTT电子浓度NANB+++EAB(T)ABNANB－－－TK-波尔曼系数,k=1.38×10－23(J/ºC)e-单位电荷,e=4.802×10－10NA,NB-电子密度)ln()(00NNEBAABekTT讨论接触电势的大小与温度和热电极的电子密度差有关：温度越高，接触电势越大；电子密度差越大，接触电势也越大。ttNdtNekTTATTAAE)()(1),(002、温差电动势（汤姆逊Thomson效应）+++EA(T,T0)TT0热端T冷端T0ttNdtNekTTBTTBBE)()(1),(00讨论温差电势的大小，取决于热电极两端的温差：温差越大，温差电势越大；3、总电动势3、当T0＝const，1、若NA＝NB,，则EAB（T,T0)=02、若T＝T0，则EAB（T,T0)=0CTfTTEAB)(),(0讨论热电偶的电势仅仅是热电偶量端温度（T，T0）函数的差，当T0＝const.时，则热电势仅是T的单值函数。)()(),(00TfTfTTEAB4、热电极的极性1，测量端失去电子的热电极为正极，得到电子的热电极为负极。2，符号),(0TTEAB中规定写在前面的A和T分别为正极和高温，写在后面的B和T0分别为负极和低温。若它们的最后位置互换，则热电势的极性就反相。例：),(),(00TTTTEEABAB),(),(00TTTTEEABBA),(),(00TTTTEEABABC根据这个定律，可将第三种导体换成测试仪或连接导线。只要保持两结点温度相同，就可以对热电势进行测量。1、中间导体定律将A、B构成的热电偶的T0端断开，接入第三种导体C，只要保持第三导体两端温度相同，接入导体C后对回路总电动势无影响。二、热电偶基本定律ABCCT0T0作用：),(),()()()(),(00000TTETTETETETETTEABCABCABABC假定三处同处于一个温度T0，此时只有接触电势：)()()(0ln)()(ln)()(ln)()(ln)()()()(00000000000000000TETETENNNNNNekTTNTNekTTNTNekTTNTNekTTETETETEABCABCACCBBAACCBBACABCABABC代入上式：),(),(),()()(),(00000TTETTETTETETETTEABABABABABC证明：2、标准电极定律两种金属构成热电偶的热电势，可以用这两种金属分别与第三种金属构成的热电势之差来表示：)T,T()T,T()T,T(0BC0AC0ABEEEAATTT=－BBCCT0T0T0若已知各种金属对标准电极的热电势，即可方便地求出各种金属搭配成热电偶时的热电势。作用：证明：),(lnlnlnlnlnln),(),(00000000TTEdtNNekdtNNNNekdtNNNNekdtNNekdtNNekTTETTEABTTBATTBCCATTCBCATTCBTTCABCAC（标准热电极定律证明）3、中间温度定律TTaT0AABB),(),(),(00TTETTETTEaABaABAB在热电偶回路中，两接点温度为T、T0时的热电动势，等于该热电偶在接点温度为T、Ta和Ta、T0时热电动势的代数和。热电偶补偿导线法就是这个定律的实际应用。作用：证明：（中间温度定律证明）),()()()()()()(),(),(0000TTETfTfTfTfTfTfTTETTEABABABABaABaABABaABaAB4、均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的截面、长度，以及各处的温度分布如何，都不产生热电势。1、如果热电偶的两根热电极是由均质导体组成，那么，热电偶的热电势仅与两端温度有关，而与热电极的温度分布无关。2、用于检验两根热电极A，A’材料成分是否相同。3、热电极材料的均匀性。作用：①热电动势大，测温范围宽，线性好。②化学、物理性能稳定，不易氧化、变形及腐蚀。③电阻温度系数α小，电阻率ρ小。④易加工，易复制，工艺性和互换性好。2、热电极材料类型（1）一般金属：镍铬－镍硅，铜－康铜，镍铬－镍铝等；（2）贵金属：铂铑－铂三、热电偶的种类和结构1、对热电偶材料的要求（3）结构形式：普通热电偶，铠装热电偶等（一）普通热电偶的结构（二）铠装热电偶的结构主要特点：1、动态响应快；2、测量端热容量小；3、可绕性好；4、强度高。（三）其它特殊热电偶的结构1。薄膜热电偶2。表面热电偶3。消耗式热电偶四、热电偶的冷端处理②将冷端延长，使冷端温度不受热端影响，并使冷端温度固定。以便应用分度表。1、延伸导线法（补偿导线法）如图),(00TTEEABT0TnT3BAB’A’2补偿导线)()(),(00TfTfTTEAB①将冷端处理为CT00E02、0℃恒温法冰水混合物显示仪表AB0C冰点槽T将冷端置于冰点槽中，保证冷端为0℃条件。适用于实验室。3、冷端恒温加计算修正：实际使用时：CconstT00)t,t()t,t()t,t(0nABnAB0ABEEE则①实测②查表（修正量）④查表得实际t③nT4、电桥补偿法当T0↑↗↘URab4)T,T(E0xE→不变UEUabxABR4(t)5、电位补偿法UEtAx00)t,t(E五、热电偶测温的基本误差分度误差仪表误差冷端处理误差接线误差漏电误差