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课题5热电式传感器及其应用
任务1熟悉热电效应
任务2认识热电偶基本结构
任务3热电偶实用测温线路和温度补偿
任务4热电偶传感器的应用
任务5热电偶传感器项目实训一热电偶传
感器测温
任务1熟悉热电效应
511热电效应及基本概念
1热电效应
将两种不同成分的导体组成一个闭合回路,如图5-2所示,当闭合回
路的两个结点分别置于不同的温度场中时,回路中将产生一个电势,
这种现象称为“热电效应”。热电应是1821年由 Seeback发现的
故又称为赛贝克效应。两种导体组成的回路称为“热电偶”,这两种
导体称为“热电极”,产生的电势则称为“热电势”,热电偶的两个
结点,一个称为测量端(工作端或热端),另一个称为参考端(自由端或
冷端)。
任务1熟悉热电效应
热电势由两部分组成,一部分是两种导体的接触电势,另一部分是单
导体的温差电势
接触电势
当A和B两种不同材料的导体接触时,由于两者内部单位体积的自由
电子数目不同(即电子密度不同),因此,电子在两个方向上扩散的速
率就不一样。假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度
则导体A扩散到导体B的电子数要比导体B扩散到导体A的电子数大
所以导体A失去电子带正电荷,导体B得到电子带负电荷。于是,在
A,B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场,如图5-3(a)所示
该电场的方向与扩散进行的方向相反,它将引起反方向的电子转移
阻碍扩散作用的继续进行。
任务1熟悉热电效应
当扩散作用与阻碍扩散作用相等时,即自导体A扩散到导体B的自由
电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时,便处
于一种动态平衡状态。在这种状态下,A与B两导体的接触处产生了
电位差,称为接触电势。接触电势的大小与导体材料、结点的温度有
关,与导体的直径、长度及几何形状无关。接触电势大小为
(5-1)
式中,eA(T为导体A、B在结点温度为T时形成的接触电动势;T为接
触处的绝对温度,单位为K;k为波尔兹曼常数,k=138x1023JK
为单位电荷,e=1.6x1019c;nA、nB为材料A,B在温度为T时的自由
电子密度。
任务1熟悉热电效应
温差电动势
如图5-3(b)所示,将某一导体两端分别置于不同的温度场T、T中,
在导体内部,热端自由电子具有较大的动能,向冷端移动,从而使热
端失去电子带正电荷,冷端得到电子带负电荷。这样,导体两端便产
生了一个由热端指向冷端的静电场,该静电场阻止电子从热端向冷端
移动,最后达到动态平衡。这样,导体两端便产生了电势,我们称为
温差电动势即
e、(T,T)=σdT
(5-2)
任务1熟悉热电效应
4热电偶的电势
设导体A,B组成热电偶的两结点温度分别为T和T,热电偶回路所产
生的总电动势EAB(T,T0包括接触电动势eAB(T)、eA(T0),温差电动
势eA(T,T0)、eg(T,T0)。取eAB(T)的方向为正,如图5-2所示,则
EAB(T, TO)Ee(T)-eaB(To)-e(T, To)+eB(T, T)
般地,在热电偶回路中接触电动势远远大于温差电动势,所以温
差电动势可以忽略不计,上式可改写成
EAR(T, To)=er(T)-eAR(To)=In
AT, n, hTo, n, h
(T-To)In
(5-4)
任务1熟悉热电效应
综上所述,可以得出以下结论
(1)如果热电偶两材料相同,则无论结点处的温度如何,总热电势为0
(2)如果两结点处的温度相同,尽管A,B材料不同,总热电势为0
(3)热电偶热电势的大小,只与组成热电偶的材料和两结点的温度有
关,而与热电偶的形状尺寸无关,当热电偶两电极材料固定后,热电
势便是两结点电势差;
(4)如果使冷端温度T保持不变,则热电动势便成为热端温度T的单一
函数。用实验方法求取这个函数关系。通常令T=0°C,然后在不同
的温差(T-T)情况下,精确地测定出回路总热电动势,并将所测得的
结果列成表格(称为热电偶分度表,见附录),供使用时查阅。
任务1熟悉热电效应
512热电偶基本定律
热电偶在测量温度时,需要解决一系列的实际问题,以下由试验验证
的几个定律为解决这些问题提供了理论上的依据
1.均质导体定律
由一种均质导体组成的闭合回路中,不论导体的截面和长度如何以及
各处的温度分布如何,都不能产生热电势。
这一定律说明,热电偶必须采用两种不同材料的导体组成,热电偶的
热电动势仅与两结点的温度有关,而与热电极的分布无关。如果热电
偶的热电极是非匀质导体,在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。
所以,热电极材料的均匀性是衡量热电偶
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