熱電偶及其測溫原理(1)熱電偶的測溫原理是通過(guò)將材質(zhì)不同的2種導體和半導體a、b與閉合電路連接而構成熱電偶。 熱電偶的測溫原理是基于熱電偶兩端的溫度不同，在熱電偶的閉合回路中產(chǎn)生熱電動(dòng)勢的熱電效應，這種現象稱(chēng)為熱電效應。 熱電偶電路的熱電動(dòng)勢如圖2-15所示，由接觸電動(dòng)勢和溫差電動(dòng)勢兩部分構成。

圖中，接觸電動(dòng)勢是通過(guò)兩種不同材質(zhì)的導體a、b接觸時(shí)產(chǎn)生的電子擴散而形成的。 假設導體a中的自由電子的濃度比導體b中的自由電子的濃度大，則在開(kāi)始接觸的瞬間導體a向導體b擴散的電子的數量比導體b向導體a擴散的電子的數量多，因此導體a失去較多的電子而帶正電荷，導體b帶負電荷，其結果是，在接觸面產(chǎn)生電場(chǎng)，該電場(chǎng)在導體b中 平衡時(shí)在a、b兩個(gè)導體之間形成的電位差稱(chēng)為接觸電動(dòng)勢，其大小與兩個(gè)導體的材質(zhì)和觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。 溫差電動(dòng)勢是由于同一導體根據兩端的溫度，電子具有不同的能量而產(chǎn)生的電位差。 由此可知，熱電偶閉合電路中熱電動(dòng)勢是接觸電動(dòng)勢與溫度差電動(dòng)勢之和，可以說(shuō)

式中，式右邊的前兩項為接觸電動(dòng)勢，后兩項為溫差電動(dòng)勢。 理論研究表明，由于溫差電動(dòng)勢遠小于接觸電動(dòng)勢，熱電動(dòng)勢通常以接觸電動(dòng)勢為主，式(2-18 )可近似

由式(2-19 )可知，材質(zhì)一定且冷端溫度&； 在不變情況下，熱端溫度和熱電動(dòng)勢為與一個(gè)值對應的逆函數關(guān)系、即

式(2-20 )表示只要測量熱電動(dòng)勢的大小，被測量溫度的高低就會(huì )決定，這是熱電偶的測溫原理。 根據上述分析，可以得出以下三個(gè)重要結論:①如果構成熱電偶的電極材料相同，則無(wú)論熱電偶冷還是熱兩端的溫度如何，總熱電動(dòng)勢都為零；②如果熱電偶冷，熱兩端的溫度相同，則與電極材料無(wú)關(guān)，總熱電動(dòng)勢也為零 也就是說(shuō)，由不同電極材質(zhì)構成的熱電偶在相同溫度下產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢不同。 (2)在熱電動(dòng)勢的檢測和第三導體法則的實(shí)際使用中，為了檢測熱電動(dòng)勢，如圖2-16所示，需要在熱電偶電路上連接測量器和引線(xiàn)(簡(jiǎn)單的第三導體)。

連接第三導體后，是否對熱電偶的熱電動(dòng)勢有影響？ 根據圖2-16，連接第三導體后的熱電偶電路中的總熱電動(dòng)勢

由式(2-23 )可知，在熱電偶電路上連接第三導體的情況下，如果第三導體的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，則電路中的熱電動(dòng)勢的值不變，熱電偶的性質(zhì)被稱(chēng)為第三導體法則。 第三導體定律在實(shí)際應用中具有重要意義。 由此，熱電偶所需的測量?jì)x器和導線(xiàn)可以放心插入，如果使兩個(gè)觸點(diǎn)的溫度相同，就可以不影響熱電偶的輸出地測量熱電動(dòng)勢。 (3)冷伸長(cháng)率和等價(jià)交換原理也從熱電偶的測溫原理得知，只有在熱電偶的冷溫度不變化的情況下，熱電動(dòng)勢與被測溫度有一定的對應關(guān)系。 由于制作熱電偶的熱電材料價(jià)格昂貴，因此不能使熱電偶的電極長(cháng)時(shí)間工作，其結果是，冷端溫度受被測溫度的影響不會(huì )發(fā)生很大變化。 為了使冷端遠離熱端，工程中專(zhuān)用的&ldquo； 補償導線(xiàn)&rdquo； 連接熱電偶的冷端子，冷端子不影響熱電偶的熱電動(dòng)勢，延長(cháng)到溫度比較穩定的環(huán)境。 這樣的理論依據是&ldquo； 等價(jià)置換&rdquo； 原理、分析如下。

如圖2~圖17所示，圖b全部是由貴金屬材料a、b構成熱電偶，圖a是由補償導線(xiàn)c、d和貴金屬材料a、b制成的熱電偶，如果滿(mǎn)足圖a，則熱電路的總熱電動(dòng)勢為

所以有

根據式(2-24 )，滿(mǎn)足EAB(tc，to)=ECD(tc，to ) & ldquo； 補償導線(xiàn)&rdquo； 所謂&ldquo，代替熱電極，伸長(cháng)冷端，不改變熱電偶的熱電動(dòng)勢； 等價(jià)置換&rdquo； 原理。 補償導線(xiàn)由性質(zhì)不同的2根廉價(jià)的金屬線(xiàn)構成，一般為0 ~100℃； 在溫度范圍內，要求與所連接的熱電偶大致相同的熱電性能，補償導線(xiàn)的連接如圖2-18所示。

選擇補償導線(xiàn)使用時(shí)，請注意符合熱電偶的型號，不要弄錯極性。 (4)標準熱電偶及其補償導線(xiàn)常用的熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩類(lèi)。 標準熱電偶是以國家標準規定熱電動(dòng)勢和溫度的關(guān)系、允許誤差，統一了標準形式(稱(chēng)為指數編號)的熱電偶。 非標準熱電偶是特殊情況下使用的熱電偶，沒(méi)有統一的標準。 遵循的IEC國際標準，我國設計了統一標準化的熱電偶，其中一部分如表2-3所示。

①熱電偶材料中，前者表示正極，后者表示負極。 ②補償導線(xiàn)形式的*文字表示對方的熱電偶形式的第2個(gè)文字&ldquo； c&rdquo； 表示補償型補償導線(xiàn)，&ldquo； x&rdquo； 表示延伸類(lèi)型的補償導線(xiàn)，即補償導線(xiàn)的材料與熱電偶的材料相同。 ③鉑銠10表示鉑為90%，銠為10%，以下相同。

本文熱電偶高頻詞： 測溫原理  補償導線(xiàn) 

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