热电偶的工作原理(补)

热电偶的工作原理•综合考虑A、B组成的热电偶回路，当T≠T0时，总的热电势为BA00ABAB0ABnnln)TT(qk)0,T(E)0,T(E)TT(E，讨论：如果热电偶两电极材料相同(nA＝nB，A=B),两接点温度不同，不会产生热电势；如果两电极材料不同，但两接点温度相同(T=T0)，也不会产生热电势；热偶工作的基本条件：两电极材料不同，两接点温度不同，由两种材料组成闭合回路。热电势大小与热电极的几何形状和尺寸无关。当两热电极材料不同，且A、B固定（即nA、nB、A、B为常数），热电势便为两接点温度（T，T0）的函数)T()0,T(E)0T(E)TT(E00AB，，)()()(000TTETTETTEABBAAB，，－，热电势的极性：电子密度大的材料失去电子为正，电子密度小的材料获得电子为负，且有这就是热偶测温原理。热电偶的基本定律1.均质导体定律由一种导体（或半导体）组成的闭合回路中，不论导体（或半导体）的截面积如何，以及各处的温度分布如何，都不产生热电势。结论：（1）.热电偶必须由两种不同性质的材料构成。（2）.由一种材料组成的闭合回路存在温差时，若回路中产生热电势则说明该材料是不均匀的。据此，可以检查热电极材料的均匀性。2.中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中,若各种材料接触点的温度都相同,则回路中热电势的总和为零。结论：（1）.在热电偶回路中，加入第三种均质材料，只要它的两端温度相同，则对回路中的热电势没有影响。利用此性质可以方便的接入导线和测量仪表，只要冷端温度相同即可。mVABCCTT0T0证明：设nA＞nB＞nC则接触电势如图EAB(T,0)EAC(T0,0)EBC(T0,0)mVABCCTT0T0EAB(T,0)EAC(T0,0)EBC(T0,0)EABC(T,T0)=EAB(T,0)+EBC(T,0)-EAC(T,0))T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT0C0A00C0B0BA])T(n)T(nlnqKT)T(n)T(n[lnqKT)T(n)T(nlnqKT0A0C00C0B0BA)T(n)T(n)T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT0A0C0C0B0BA)T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT0A0B0BA=EAB(T,0)-EAB(T0,0)证毕（2）.若两种导体A，B对另外一种参考导体C的热电势为已知，则由这两种导体A，B组成的热电偶的热电势是他们对参考导体热电势的代数和。已知：EAC(T,T0)，ECB(T,T0)求证：EAB(T,T0)=EAC(T,T0)+ECB(T,T0)ACTT0T0EAC(T，T0)BCT0T0ECB(T，T0)TACTT0T0EAC(T，T0)BCT0T0ECB(T，T0)T)T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT0B0C0BC0C0A0CA])T(n)T(nln)T(n)T(n[lnqKT])T(n)T(nln)T(n)T(n[lnqKT0B0C0C0A0BCCA)T(n)T(nlnqKT)T(n)T(nlnqKT0B0A0BA=EAB(T,0)-EAB(T0,0)=EAB(T,T0)证明：EAC(T,T0)+ECB(T,T0)=EAC(T,0)-EAC(T0,0)+ECB(T,0)-ECB(T0,0)证毕参考导体也称标准电极，因为铂的物理化学性质稳定，熔点高，易提纯，复制性好，所以标准电极常用铂丝制成。3.中间温度定律接点温度为T，t，T0的热电偶，他的热电势等于温度分别为T，t和t，T0两只同性质热电偶热电势的代数和。AE1AB(T，t)BtAE2AB(t，T0)T0BAEAB(T，T0)=E1AB(T，t)+E2AB(t，T0)T0BTEAB(T,t)+EAB(t,T0)=EAB(T,0)-EAB(t,0)+EAB(t,0)-EAB(T0,0)=EAB(T,0)-EAB(T0,0)=EAB(T,T0)结论：（1）.已知热电偶在某一给定冷端温度下进行分度，只要引入适当的修正值，就可以在另外的冷端温度下使用。这为制定热电势—温度关系奠定了理论基础。（2）.和热电偶具有相同热电性质的补偿导线可以引入热电偶回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势。这就为工业测温中应用补偿导线提供了理论依据。热电偶的种类和结构一热电极材料和类型1．热电极材料的基本要求热电极是感温元件，基本要求：热电势足够大，测温范围宽、线性好；热电特性稳定；理化性能稳定，不易氧化、变形和腐蚀；电阻温度系数α、电阻率ρ小；易加工、复制性好；价廉2．热电偶类型普通热电偶，铠装热电偶，薄膜热电偶热电偶的种类和结构二热电偶的结构热电偶接点焊接要求和焊接方法（不引入第三种材料，接点大小适当）；电极之间绝缘。图热电偶电极的绝缘方法（a）裸线热电偶；（b）珠形绝缘热电偶；（c）双孔绝缘子热电偶；（d）石棉绝缘管热电偶热电偶的种类和结构1.普通型热电偶普通型热电偶结构引线口不锈钢套管接线盒焊点瓷绝缘套管安装固定件普通型热电偶结构7.3.3热电偶的种类和结构2．铠装热电偶铠装热电偶结构见图图铠装热电偶工作端结构（a）单芯结构；（b）双芯碰底型；（c）双芯不碰底型；（d）双芯帽型7.3.3热电偶的种类和结构3．薄膜热电偶薄膜热电偶电极为厚度0.01~0.1m薄膜构成，见图图铁-镍薄膜热电偶热电偶的冷端补偿及处理•热偶标准分度表是以T0＝0℃为参考温度条件下测试制定的，若T0≠0℃，则应进行冷端补偿，其补偿方法：1.补偿导线法利用补偿导线代替热电极，引到温度较稳定的T0端测试。要求：在一定的温度范围内，补偿导线与配对的热电偶具有相同或相近的热电特性，补偿导线不能接反，两接点温度相同。补偿导线分为：补偿型，延长型2.0℃恒温法将热电偶冷端置于冰水混合物的0℃恒温器内，使其工作与分度状态达到一致。热电偶的冷端补偿及处理•延长导线法和0℃恒温法的一个实例。图冷端处理的延长导线法和0℃恒温法热电偶的冷端补偿及处理3.冷端温度修正法（1）热电势修正法利用中间温度定律)0()()0(，＋，，nABnABABTETTETE式中，Tn热电偶测温时的是环境温度；EAB(T，Tn）是实测热电势；EAB(Tn，0)是冷端修正值。例如：铂铑10—铂热电偶测温，参考冷端温度为室21℃，测得mVTEAB465.0)21(＝，mVEAB119.0)021(＝，，则mVTEAB584.0119.0465.0)0(＝，由此查分度表T＝92℃若直接用0.465mV查表，则T＝75℃。也不能将75℃＋21℃＝96℃作为实际温度。热电偶的冷端补偿及处理（2）温度修正法由实测热电势EAB（T，Tn）查表，得T真实温度为：T＝T＋kTn式中，k为热电偶修正系数，决定于热电偶于热电偶种类和被测温度范围。例如前例：实测EAB(T，Tn)=0.465mV，查分度表T=75℃；查修正系数表7-4，此时该热电偶的k=0.82，Tn=21℃，则实际温度T=75+0.82×21=92.2℃与前面结果基本一致。这中修正方法在工程上应用较为广泛。热电偶的冷端补偿及处理4、冷端温度自动补偿法（1）电桥补偿法原理：电桥输出电压U(T0,0)=EAB(T0,0)，自动补偿。补偿电路：如图所示。图中R1、R2、R3、RW为锰铜电阻，阻值几乎不随温度变化，RCu为铜电阻，电阻值随温度升高而增大。T0=0℃时，R1=R2=R3=RCu，电桥输出Uab=0，对热电偶电势无影响。T0≠0℃时，Uab≠0，Uab=U(T0,0)=EAB(T0,0)，热电偶的热电势得到自动补偿。图冷端温度补偿线路图