热电偶温度表是目前应用*广泛的一种温度表,热电偶温度表是一种温度电测仪表,它通常由热电偶、热电偶冷端温度补偿装置(或元件)和显示仪表三部分组成,三者之间用导线连接起来。 热电偶测温原理 热电偶是通过把两根不同的导体或半导体线状材料A和B的一端焊接起来而形成的,A、B就称为热电极(或热电偶丝)。焊接起来的一端置于被测温度t处,称为热电偶的热端(或称测量端、工作端);非焊接端称为冷端(或参考端、自由端),冷端则置于被测对象之外温度为t0的环境中。 如把热电偶的两个冷端也连接起来则形成一个闭合回路,如图2-1所示,则当热端温度和冷端温度不相等,即t≠to时,回路中有电流流过,这说明在回路中产生了电动势,由于热电偶两个接点处的温度不同而产生的电动势称为热电(动)势,上述理象称为热电效应,或称塞贝克效应。热电偶就是利用热电效应来测量温度的。进一步的研究表明,热电势是由接触电势和温差电组成的。
1.接触电势 两种均质导体A和B接触时,由于A和B中自由电子密度不同(设自由电子密度NA>NB),导体A将通过接点向导体B进行自由电子扩散,则A失电子,B积累电子,从而使接点两侧产生电位差,建立了静电场E,如图2-2所示,静电场E的存左将阻止自由电子继续扩散。当扩散力和电场力的作用相互平衡时。电子的扩散就相对停止,*终在接点两侧之间产生电势,此电势称为接触电势,用符号eAB(t)表示,其中t为接点处的温度,接触电势的大小与接触面温度t和两种导体的性质有关,方向如图2-2所示,由电子密度小的电极指向电子密度大的电极。
2.温差电势 因导体的自由电子密度会随温度升高而增大,因此当同一导体两端温度不同时(如图2-3所示),温度高的一端自由电子密度将高于温度低的一端,因此在两端之间也会出现与接触电势中相似的自由电子扩散过程,*终在导体的两端间产生电位差,建立起电势,这种电势被称为温差电势,用符号eA(t,to)表示,其大小与导体两端温度t、to及导体性质有关,如图2-3所示由低温端指向高温端。为了便于分析问题,温差电势有时也写成下面的形式,即eA(t,to)=eA(t)-eA(to)。
3.热电势 综上所述,在图2-1所示的热电偶回路中,当t>t0,NA>NB时,回路内将产生两个接触电势eAB(t)和eAB(to),两个温差电势eA(t,to)和eB(t,to)。各电势的方向如图中所示。 这时,回路的总电势,即热电势EAB(t,to)是这些接触电势和温差电势的代数和,即 EAB(t,to)= eAB(t) - eA(,to) - eAB(to) + eB(t,to) = eAB(t)-[eA(t) - eA(to)] - eAB(to) + [eB(t) - eB(to)] = [eAB(t) - eA(t) + eB(t)] - [eAB(tO) - eA(to) + eB(to)] = fAB(t) – fAB(to) 由于温差电势比接触电势小,又t>tO,所以在总电势EAB(t,tO)中,接触电势eAB(t)所占百分比*大,故总电势EAB(t,to)的方向取决于eAB(t)的方向。又因A的电子密度大,所以A为正极,B为负极,在正热电极里,电势的方向由热端指向冷端。 上式表明,当两个热电极的材料选定后,热电势就是两个分别与接点温度有关的函数之差。如果冷端温度to保持不变,则fAB(to) = C(常数),那么,EAB(t,to)=fAB(t) – C,热电势就与热端温度t成一一对应关系。因此,测得热电势EAB(t,to),就可以确定被测温度t的数值,这就是热电偶测量温度的原理。 为了使用方便,标准化热电偶的热端温度与热电势之间的对应关系都有函数表可查。这种函数表是在冷端温度为0℃条件下,通过实验方法制定出来的,称为热电偶分度表。热电偶分度表可用于表达热电偶的热电特性。几种常用热电偶的分度表见附表1~附表5。应注意to不等于0℃时不能使用分度表由t直接查EAB(t,to)值,也不能直接由EAB(t,to)查t
附表1:铂铑10-铂热电偶分度表(分度号为S;参考端温度为0℃;mV)
附表2:铂铑13-铂热电偶分度表(分度号为R;参考端温度为0℃;mV)
附表3:铂铑30-铂铑6热电偶分度表(分度号为B;冷端温度为0℃;mV)
附表4:镍铬-镍硅热电偶分度表 (分度号为K;冷端温度为0℃;mV)
附表5:镍铬-铜镍(康铜)热电偶分度表 (分度号为E;冷端温度为0℃;mV)