1.热电偶测温 热电偶是目前工业生产过程中应用非常广泛的温度传感器按照其输 出电量类型属于电势型传感器它利用热电效应将被测量温度转换成热电 势输出 1)热电偶工作原理 1812年德国物理学家塞贝克(TJ. Scheck)在硏究电磁感应过程中偶 然发现 在两种不同导体或半导体构成的闭合回路中(如下图),当两个接点温度 不等时(T≠0),回路中有电流流过,即:回路中存在电势 而且,该电势的大小仅随接点温度与T变化 这说明 A 该电势由热现象造成而非电磁现象造成 固称:热电势 T T 此物理现象被后人成为”塞贝克”效应 又称:电效应 B 生成的热电势表示为:EAB(TT 因热电效应发生于一对不同导体或半导体组成的闭合回路中固称之为 组成热电偶的AB两极称正热极与负热极
1. 热电偶测温 热电偶是目前工业生产过程中应用非常广泛的温度传感器.按照其输 出电量类型属于电势型传感器.它利用热电效应将被测量温度转换成热电 势输出 1)热电偶工作原理 1812年德国物理学家塞贝克(T.J.Secbeck)在研究电磁感应过程中偶 然发现： 在两种不同导体或半导体构成的闭合回路中（如下图），当两个接点温度 不等时（T≠T0 )，回路中有电流流过，即：回路中存在电势． 而且，该电势的大小仅随接点温度T与To变化. 这说明: 该电势由热现象造成而非电磁现象造成 固称:“热电势” 此物理现象被后人成为”塞贝克”效应 又称:热电效应 生成的热电势表示为:EAB(T,T0 ) 因热电效应发生于一对不同导体或半导体组成的闭合回路中,固称之为: 热电偶 组成热电偶的A,B两极称正热极与负热极
1.热电偶测温 工作原理 热电效应揭示了热电回路中热电势与两热节点温度之间的关系: A:正热极 T工作端温度(热端温度) E(,70)=f(7,o)B:负热极 T:参考端温度(冷令端温度) 后人应用电子理论对热电效应进行了进步研究揭示了热电势产 生机理获知 热电势由两部分构成:接触电势与温差电势 A.接触电势 当两种不同的导体A和紧密接触时,由于拥有不同的自由电子浓度nA与 "设nA> nB,则在同一瞬间自由电子从浓度高的A侧向浓度低的B侧扩散的 v数量就比相反方向扩散的多至使界面附近A 电子带正电,B侧得到 n电子带负电,从而在两导体接触的界面处形成自建电场当电子扩散达到动 态平衡时,电场的电势eAB为 Kr. n ,To:A、B两材料接两触处的绝对温度 e ng eAB(T):材料A和B在温度T下的接触电势 e4(T)KT、n eA(D材料A和B在温度T0下的接触电势 波尔兹曼常数。 电子电荷量 可见,接触电势的大小只与热电极A、B的性质和两接触点的温度 有关,而与热电极的几何形状尺寸无关
1. 热电偶测温 工作原理 热电效应揭示了热电回路中热电势与两热节点温度之间的关系: A:正热极 T:工作端温度(热端温度) B:负热极 T0 :参考端温度(冷端温度) 后人应用电子理论对热电效应进行了进一步研究,揭示了热电势产 生机理.获知: 热电势由两部分构成: 接触电势与温差电势 A.接触电势: 当两种不同的导体A和紧密接触时，由于拥有不同的自由电子浓度nA与, 设nA > nB ，则在同一瞬间自由电子从浓度高的A侧向浓度低的B侧扩散的 数量就比相反方向扩散的多，至使界面附近A侧失去电子带正电，B侧得到 电子带负电，从而在两导体接触的界面处形成自建电场,当电子扩散达到动 态平衡时，电场的电势eAB为: T，T0 : A、B两材料接两触处的绝对温度 eAB(T) : 材料A和B在温度T下的接触电势 eAB(T0 ): 材料A和B在温度T0下的接触电势 K : 波尔兹曼常数。 e : 电子电荷量 可见，接触电势的大小只与热电极A、B的性质和两接触点的温度 有关，而与热电极的几何形状尺寸无关。 ( , ) ( , ) 0 T T0 E T T f AB = ( ) B A AB n n e KT e T = ln ( ) B A AB n n e KT e T0 = ln
1.热电偶测温 工作原理 B温差电势 在同一均质导体内(A或B),当两端温度不同时,导体内自由电子的运动速 度不同,高温端自由电子的动能高于低温端。因此,电子从髙温端冋低温 端的扩散速度大于相反方向,结果使高温端失去电子而带正电,低温端得 到电子而带负电,当电子运动达到动态平衡时,在导体内形成内建电场电 场的电势称为导体A或B的温差电势用eATT或e(TT0)表示 e(t, To) e,(T, To)=o 式中 04、0分别为导体A、B的汤姆逊系数 T>TO °e(,x)= ToDt 上式表明热电势中的温差电势仅与热电极材料性质和两接点温度 TT有关,而与热电极的几何尺寸。沿热电极的温度分布无关
1. 热电偶测温 工作原理 B.温差电势 在同一均质导体内(A或B),当两端温度不同时，导体内自由电子的运动速 度不同，高温端自由电子的动能高于低温端。因此，电子从高温端向低温 端的扩散速度大于相反方向，结果使高温端失去电子而带正电，低温端得 到电子而带负电，当电子运动达到动态平衡时，在导体内形成内建电场,电 场的电势称为导体A或B的温差电势,用eA(T,T0 )或eB (T,T0 )表示: 式中: 、 分别为导体A、B的汤姆逊系数 上式表明,热电势中的温差电势仅与热电极材料性质和两接点温度 T,T0有关，而与热电极的几何尺寸。沿热电极的温度分布无关。 ( ) = T T eA T T A dT 0 0 , ( ) = T T eB T T B dT 0 0 , σ A σB
1.热电偶测温 工作原理 综合接触电势与温差电势当有T>T0时由均质材料A、B作正、负 热电极的热电回路中有热电势EAB(TT EB(T, To)=e (T)-eaBTo+es(t, To)(T, T en()-en(T)+∫o7-Jor n(7)-en()+∫(a-o) +\(a、AB (T)+[(GB-o1)d EAB(T)-EAB(TO 上式可归纳如下结论 当构成热电偶的两热极材料相同时恒有EA(TT0)=0或EB(TT0)=0 当冷、热端温度相同(T=T0)时,恒有EA=0 热电势的大小只与两热电极的性质和冷、热端温度有关,而与热电极与热接 点的几何形状尺寸无关,与沿热电极的温度分布无关
1. 热电偶测温 工作原理 综合接触电势与温差电势,当有T>T0时,由均质材料A、B作正、负 热电极的热电回路中有热电势EAB(T,T0 ) : 上式可归纳如下结论: 当构成热电偶的两热极材料相同时,恒有EAA(T,T0 )=0或EBB(T,T0 )=0 当冷、热端温度相同 (T=T0 )时,恒有EAA=0 热电势的大小只与两热电极的性质和冷、热端温度有关，而与热电极与热接 点的几何形状尺寸无关,与沿热电极的温度分布无关. ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 ( ) ( ) ( ) , , , E T E T e T σ σ dT e T σ σ dT e T e T σ σ dT e T e T σ dT σ dT E T T e T e T e T T e T T A B A B T T A B B A A B B A T T A B A B B A T T A T T A B A B B A B A B A B B A = − = + − − + − = − + − = − + − = − + −
1.热电偶测温 工作原理 理论与实践证明对于电子浓度很大的金属导体热电极σA-B量值 可以忽略不记因此在其热电势中温差电势所占份额亦可忽略. 即有: EB(7,G)=ea()-eB()=f()-f(70) 如果固定冷端温度T0即有f(T)=C 实现了通过测量回路热电势大小来检测热端温度的目的 成了 温度量匚量转换 一热电偶工作原理 一般热电偶的T一EAB(TT0)关系常用三种方式给定 Ear(t, o)(mv) 解析式E=∑qt多项式 ET关系曲线 分度表 直接给出数值对应表不需面 注意无论哪种方式均必须固定冷端温度一般
1. 热电偶测温 工作原理 理论与实践证明,对于电子浓度很大的金属导体热电极,σA-σB量值 可以忽略不记,因此在其热电势中温差电势所占份额亦可忽略. 即有: 如果固定冷端温度T0 ,即有f(T0 )=C. 实现了通过测量回路热电势大小来检测热端温度的目的 完成了: 温度量 电量转换 热电偶工作原理 一般,热电偶的T—EAB(T,T0 )关系常用三种方式给定: 解析式: 多项式 E-T关系曲线 分度表 直接给出数值对应表 注意:无论哪种方式,均必须固定冷端温度,一般:T0=0℃ ( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0 0 T0 E T T e T e T f T f AB = AB − AB = − i n i i E a t = = 0