耐磨热电偶测温工作原理及注意事项

热电偶( thermocouple)具有结构简单、测量准确度较高、裸丝热容zui小、材料的互换性好等优点。利用热电偶作为传感器的热电偶温度计测温范围低温可至4K,高温可达2800c. 热电偶能进行多点温度测量，其输出信号能够远距离传送.便于检测和控制。因此热电偶在工业生产及科学研究中得到了广泛的应用。
热电效应
把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，如图 2-21所示，如果将它们的两个接点分别置于不同的温度，则在该回路就会产生电势，这种现象称为热电效应.或称塞贝克效应(Seebeck)。产生的电势通称为热电势，记作 EAB(T, To)。热电阻

 
热电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是基于热电效应。如图2-21所示，把两种不同的导体(或半导体)A和B连接成闭合回路，当两接点1与2的温度不同时，如 T> T。.则回路中就会产生热电势EAs (T,T0)。导体A, B称为热电极，其中，A表示热电偶的正极;B表示负极。两热电极A和B的组合称为热电偶。在两个接点中.接点，是将两电极焊在一起，测温时将它放人被侧对象中感受被侧沮度，故称之为测量端、热端或工作端;接点 2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。
热电偶就是通过侧zui热电势来实现测温的。该热电势由两部分组成:接触电势(又称拍尔帖电势)与温差电势(又称汤姆逊电势)
两种导体的接触电势
接触电势是基于帕尔帖(Peltier)效应产生的，即由于两种不同的导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的扩散，直至达到动态平衡为止而形成的热电势。自由电子扩散的速率与自由电子的密度和所处的温度成正比。
设导体A与B的自由电子密度分别为NA NB，并且NA, >NB。则在单位时间内，由导体A 扩散到导体B的自由电子数比从B扩散到A的自由电子数多.导体A因失去电子而带正电，导体B因获得电子而带负电，因此，在A和B间形成了电势差。这个电势在A, B接触处形成一个静电场，阻碍扩散作用的继续进行。在某一温度T下，电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡，此时在接点处形成接触电势.并表示为热电偶。

式中EAB(T)—导体A和B在温度T时的接触电势，v;
T一接点处温度，K;
k—玻耳兹曼常数，;
e—单位电荷.;
NAT—导体A在温度T时的自由电子密度，cm-3
NBT—导体B在温度T时的自由电子密度，cm-3
注意:接触电势EAB(T)脚码AB的顺序代表电位差的方向。如果改变脚码的顺序.电势 "E”前面的符号也应随之改变，即在热电势符号“E"前加“-”号。
从式(2-83)中看出，接触电势的大小与接点温度的高低以及导体A和B的自由电子密度有关。温度越高，接触电势越大，两种导体自由电子密度的比值越大，接触电势也越大。当A和B为同一种材质时，则有EAA(T) =0
单一导体中的温差电势
温差电势是基于汤姆逊效应(Tomson )产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。
设导体A两端温度分别为T和To ,且T>T.。此时形成温度梯度.使高温端的自由电子能量大于低温端的自由电子能zui，因此从高a端扩散到低温端的自由电子数比从低温端扩散到高温端的要多.结果高温端因失去自由电子而带正电荷，低温端因获得自由电子而带负电荷。因而，在同一导体两端便产生电位差，并阻止自由电子从高温端向低温端扩散，zui后使自由电子扩散达到动平衡，此时所形成的电位差称为A差电势.用下式表示

 
式中，EA, (T, T。,)为导体A两端温度各为T和T。 (T > To)时的温差电势，V。,
同理，当导体B两端温度分别为T和To.且T>T0时，也将产生温差电势。从式(2-84) 可见，温差电势的大小取决于热电极两端的温差和热电极的自由电子密度，而自由电子密度又与热电极材料成分有关。温差越大，温差电势也越大。当热电极两端温度相同时，温差电势为零，即EA, (T, To)=0
热电偶闭合回路的总电势
 
如图2-22所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势EA(T,T。), EB(T,T。.)及两个接触电势EAB(T) . EAB(To)。设T>To, NA>NB，由于温差电势比接触电势小，所以在热电偶回路总电势中，以导体A和R在热端的接触电势EAB ( T)所占百分比zui大，决定了回路总电势，即热电势的方向，这时总的热电势EAB(T，To)可写成

由式(2-86)可知，热电偶产生的热电势与自由电子密度及两接点温度有关。自由电子密度不仅取决于热电偶材料特性，而且随温度变化而变化，它们并非常数。所以，当热电偶材料一定时，热电势EAB(T,T。)成为温度T和To的函数差，即

如果能使冷端温度To固定，即f( TO)=C(常数)，则对确定的热电偶材料，其热电势 EAB(T,To)就只与热端温度呈单值函数关系，即补偿导线

 
这种特性称为热电偶的热电特性，可通过实验方法求得。由此可见，当保持热电偶冷端沮度To不变时，只要用仪表测得热电势EAB ( T, T。, )，就可求得被测温度T。
温标规定:在To = 0℃时.用实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同的工作温度下所产生的热电势值，并制成一张张表格，这就是常说的分度表。温度与热电势之间的关系也可以用函数关系表示，称为参考函数。新的N际温标ITS-90的分度表和参考函数是
由电工委员会和计量委员会合作安排，上有的研究机构(包括中国在内) 共同参与完成的，它是热电偶测温的主要依据。有关标准热电偶的分度表和参考函数详见附录 A和附录B。
结论
由以上热电偶的测温原理，可得:
(1)热电偶测温三要素，即不同材质、不同温度和闭合回路，三者缺一不可。
(2)若f( To)固定.则EAB(T.TO)是被测温度T的单值函数。
(3)冷端温度恒定与否，决定了测温的准确度高低。 由式(2-86)可见，热电偶热电势与温度之间的关系是非线性的，二者之间严格的数学函数另系难以准确得到.只能依据温标用实验的方法得到，即制成热电偶分度表 春辉集团提供！