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上海自动化仪表四厂详解热电偶的工作原理

来源:上仪销售网 编辑:上仪销售网 发布时间:2015-11-05 文章点击数:1999


热电偶是利用物理学中的热电现象(塞贝克效应,1821年)制成的测温传感器。上海自动化仪表四厂指出当两种不同材料的导体(或半导体)A和B构成闭合回路时,如果两个接触端温度不同时(分别为T 和T0),回路中将产生电流,这种现象称为热电现象。相应产生的电动势称为热电动势,AB构成的闭合回路称为热电偶,如图2-11所示其中了为测量端(热端、工作端),T0称为参比端(冷端、自由端)。


物理学指出,热电动势由接触电动势和温差电动势组成。

一、接触电动势

接触电动势就是由于导体材料内部自由电子密度不同,当两种不同导体相互接触时接点处产生的电动势。因为自由电子从密度大的导体扩散到密度小的导体中,失去电子的导体呈阳性,获得电子的导体呈阴性,因此又形成了一个内部电场,此电场阻碍自由电子的进一步扩散运动。当电场力与扩散力达到平衡时,接点处形成一定的电位差,即接触电动势(也叫珀尔帖电动势)。

设T大于T0,且A材料中的自由电子密度NA大于B材料中的自由电子密虔NB。 当A和B构成热电偶时,在接点处A、B材料间电子扩散运动的示意图如图2 - 12 所示。

接触电动势的数值可用式(2-8)表示,即

式中K——波尔兹曼常数,1.38X10-23J/K;

     T——接点温度;

     e——单位电荷数,4. 802X10-10绝对静电单位;

NA.NB——导体A、B在温度T时的自由电子密度。

二、温差电动势

温差电动势是指同种材料导体由于两端温度不同产生的热电动势。假设T>T0温度高的一侧自由电子能量大,因此电子扩散时从高温端移向低温端的数量多,返回的数量少, 形成的内部电场力与扩散力平衡时,导体呈电性,产生温差电动势一也叫汤姆逊电动势.如 图2-13所示。

温差电动势的数值

式中,δ——汤姆逊系数,表示温差为1℃时所产生的电动势,它与材料的性质有关;

        e(T)——只与导体性质及温度有关,与导体长度、截面积及温度分布无关。

三、热电偶回路的总电动'势

热电偶回路总电动势就是温差电动势与接触电动势的综合效应,设T>T0,NA>NB,如图2-14所示。

则回路总电动势

由式(2-11)可得出如下结论:若电极A、B为同一种材料(NA=NB,δA=δB),则无论温度如何,回路总电动势始终为0;若T=T0,则无论电极A、B材料是否相同,回路总电动势始终为0。

回路总电动势还可以写成如下等效表达形式

也就是说:①热电动势是温度函数之差,而不是温差的函数;若T0恒定,则热电动势与T呈一一对应关系;②热电动势大小只与导体材质和接点温度相关,而与形状、接触面积无关;③热电极的极性规定,电子密度大的电极为正;热电动势符号中电极和温度顺序互换一次,电动势变一次符号。

同样,若三种材料A、B、C构成闭合回路,接点温度分别是:AB接点T,BC接点T0, CA接点T1,则回路总电动势可表示成

若三个接点温度相同(假设为T0)

则有

证明:


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