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    上海自動化儀表四廠詳解熱電偶的工作原理

    來源:上儀銷售網 編輯:上儀銷售網 發布時間:2015-11-05 文章點擊數:4668


    熱電偶是利用物理學中的熱電現象(塞貝克效應,1821年)制成的測溫傳感器。上海自動化儀表四廠指出當兩種不同材料的導體(或半導體)A和B構成閉合回路時,如果兩個接觸端溫度不同時(分別為T 和T0),回路中將產生電流,這種現象稱為熱電現象。相應產生的電動勢稱為熱電動勢,AB構成的閉合回路稱為熱電偶,如圖2-11所示其中了為測量端(熱端、工作端),T0稱為參比端(冷端、自由端)。


    物理學指出,熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢組成。

    一、接觸電動勢

    接觸電動勢就是由于導體材料內部自由電子密度不同,當兩種不同導體相互接觸時接點處產生的電動勢。因為自由電子從密度大的導體擴散到密度小的導體中,失去電子的導體呈陽性,獲得電子的導體呈陰性,因此又形成了一個內部電場,此電場阻礙自由電子的進一步擴散運動。當電場力與擴散力達到平衡時,接點處形成一定的電位差,即接觸電動勢(也叫珀爾帖電動勢)。

    設T大于T0,且A材料中的自由電子密度NA大于B材料中的自由電子密虔NB。 當A和B構成熱電偶時,在接點處A、B材料間電子擴散運動的示意圖如圖2 - 12 所示。

    接觸電動勢的數值可用式(2-8)表示,即

    式中K——波爾茲曼常數,1.38X10-23J/K;

         T——接點溫度;

         e——單位電荷數,4. 802X10-10絕對靜電單位;

    NA.NB——導體A、B在溫度T時的自由電子密度。

    二、溫差電動勢

    溫差電動勢是指同種材料導體由于兩端溫度不同產生的熱電動勢。假設T>T0溫度高的一側自由電子能量大,因此電子擴散時從高溫端移向低溫端的數量多,返回的數量少, 形成的內部電場力與擴散力平衡時,導體呈電性,產生溫差電動勢一也叫湯姆遜電動勢.如 圖2-13所示。

    溫差電動勢的數值

    式中,δ——湯姆遜系數,表示溫差為1℃時所產生的電動勢,它與材料的性質有關;

            e(T)——只與導體性質及溫度有關,與導體長度、截面積及溫度分布無關。

    三、熱電偶回路的總電動'勢

    熱電偶回路總電動勢就是溫差電動勢與接觸電動勢的綜合效應,設T>T0,NA>NB,如圖2-14所示。

    則回路總電動勢

    由式(2-11)可得出如下結論:若電極A、B為同一種材料(NA=NB,δA=δB),則無論溫度如何,回路總電動勢始終為0;若T=T0,則無論電極A、B材料是否相同,回路總電動勢始終為0。

    回路總電動勢還可以寫成如下等效表達形式

    也就是說:①熱電動勢是溫度函數之差,而不是溫差的函數;若T0恒定,則熱電動勢與T呈一一對應關系;②熱電動勢大小只與導體材質和接點溫度相關,而與形狀、接觸面積無關;③熱電極的極性規定,電子密度大的電極為正;熱電動勢符號中電極和溫度順序互換一次,電動勢變一次符號。

    同樣,若三種材料A、B、C構成閉合回路,接點溫度分別是:AB接點T,BC接點T0, CA接點T1,則回路總電動勢可表示成

    若三個接點溫度相同(假設為T0)

    則有

    證明:


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