熱電偶微電動(dòng)勢(shì)和補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)用原理

1、熱電偶微電動(dòng)勢(shì)和補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)用原理 在 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，測(cè)量溫度的熱電偶應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號(hào)便于遠(yuǎn)傳等許多優(yōu)點(diǎn)，所以常被用作測(cè)量 爐子、管道內(nèi)的氣體或液體的溫度及固體的表面溫度。但是熱電偶的材料一般都比較貴重，而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采 用補(bǔ)償導(dǎo)線把熱電偶的冷端 ( 自由端 ) 延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)的儀表端子上。補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)。具有與熱電偶匹配的熱電動(dòng)勢(shì)標(biāo)稱值相同的一對(duì)帶絕緣包覆的導(dǎo)線，其作用只起延伸 熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上。它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫

2、的影響，不起補(bǔ)償作用。 一、回路電動(dòng)勢(shì)的構(gòu)成 當(dāng) 由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個(gè)回路，其兩端相互連接時(shí)只要兩結(jié)點(diǎn)處的溫度不同，如一端溫度為 T ，稱為工作端或熱端，另一端溫度為 TO 稱為自由端 ( 也稱參比端或冷端 ) ，回路中將產(chǎn)生一個(gè)電動(dòng)勢(shì)該電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)” , 產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)則稱為“熱電動(dòng)勢(shì)”。熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分電動(dòng)勢(shì)組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì) ( 帕爾貼電勢(shì) ) ，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動(dòng)勢(shì) ( 湯姆遜電勢(shì) ) 。 1 接觸電動(dòng)勢(shì) 當(dāng) A 和 B 兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時(shí)，由于兩者的自由電子體密度存在差異，就會(huì)在接觸

3、處產(chǎn)生自由電子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) , 形成擴(kuò)散電子流。設(shè)導(dǎo)體 A 自由電子的體密度 (NAt) 大于導(dǎo)體 B 的體密度 (NBt) ，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，接觸處的 A 端因失去電子而帶正電 B 端因得到電子而帶負(fù)電，從而在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生漂移運(yùn)動(dòng)，形成與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反的漂移電子流。二者達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的電場(chǎng)，產(chǎn)生接觸電動(dòng)勢(shì)。 由于接觸電動(dòng)勢(shì)的大小由導(dǎo)體的自由電子體密度差異決定，因此只與導(dǎo)體的材料、接點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長(zhǎng)度及幾何形狀無(wú)關(guān)。對(duì)于溫度分別為 t 和 t0 的兩接點(diǎn)，可得下列接觸電動(dòng)勢(shì)公式： 式中： K 為波爾茲曼常數(shù)； t 以絕對(duì)溫度表示的溫度值； e 為電子電荷量。 2 溫差電動(dòng)

4、勢(shì) 對(duì) 于導(dǎo)體 A 或 B ，將其兩端分別置于不同的溫度場(chǎng) t 、 to 中 (tto) 在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動(dòng)能，將向冷端移動(dòng)，從而使熱端失去電子帶正電荷冷端得到電子帶負(fù)電荷。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了一個(gè)由熱端指向冷 端的靜電場(chǎng)。該電場(chǎng)阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動(dòng)最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。這樣，導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生了電位差該電位差稱為溫差電動(dòng)勢(shì)。溫差 電動(dòng)勢(shì)的大小取決于導(dǎo)體的材料及兩端的溫度，如下式所示： 從上式可以看出，如果熱電偶回路中的兩個(gè)熱電極材料相同，無(wú)論兩接點(diǎn)的溫度如何，熱電動(dòng)勢(shì)為零。 3 補(bǔ)償導(dǎo)線對(duì)熱電動(dòng)勢(shì)的影響 若在熱電偶中引入補(bǔ)償導(dǎo)線，在一定的溫度范圍內(nèi)具

5、有與熱電偶匹配的熱電動(dòng)勢(shì)標(biāo)稱值相同，在兩接點(diǎn)溫度 t 、 to 的熱電動(dòng)勢(shì)等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度為 t 、 tn 和 tn 、 to 的相應(yīng)熱電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和。 該式為補(bǔ)償導(dǎo)線的使用提供了理論依據(jù)。它表明：若熱電偶的熱電極被導(dǎo)體延長(zhǎng)，只要接入的導(dǎo)體組成熱電偶的熱電特性與被延長(zhǎng)的熱電偶的熱電特性相同且它們之間連接的兩點(diǎn)溫度相同，則總回路的熱電動(dòng)勢(shì)與連接點(diǎn)溫度無(wú)關(guān)，只與延長(zhǎng)以后的熱電偶兩端的溫度有關(guān)。 4 中間導(dǎo)體定律 在 熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要第三種導(dǎo)體的兩接點(diǎn)溫度相同，則回路中總的熱電動(dòng)勢(shì)不變。與此相似，對(duì)于傳熱均勻的材料，補(bǔ)償導(dǎo)線的合金絲可以直接插入 金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度

6、測(cè)量。但是，對(duì)于通常條件下的固體傳熱塊的溫度測(cè)量，應(yīng)盡可能將補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)量端焊接成一體以盡可能減小結(jié)點(diǎn)溫度不均勻 給測(cè)量帶來(lái)的誤差。 二、熱電極用材料的選擇 根據(jù)金屬的熱電效應(yīng)原理，任意兩種不同材料的導(dǎo)體都可以作為熱電極組成熱電偶。但在實(shí)際應(yīng)用中，用作熱電極的材料應(yīng)具備如下幾方面的條件： 1 溫度測(cè)量范圍廣 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)有較高的測(cè)量精確度，有較大的熱電動(dòng)勢(shì)。溫度與熱電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系是單值函數(shù)最好是呈線性關(guān)系。 2 性能穩(wěn)定 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)使用時(shí)熱電性能穩(wěn)定均勻性和復(fù)現(xiàn)性好。通過(guò)改進(jìn)的同種材料組成熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有微弱熱電勢(shì)產(chǎn)生。這說(shuō)明由于某種作用使同種材料的均質(zhì)

7、性遭到破壞，不均質(zhì)性產(chǎn)生附加熱電勢(shì)因此在合金絲的選擇要盡量避免這種情況出現(xiàn)。 3 物理化學(xué)性能好 要求在規(guī)定的溫度測(cè)量范圍內(nèi)使用時(shí)不產(chǎn)生蒸發(fā)現(xiàn)象。有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化性或抗還原性能。 滿 足上述條件的熱電偶材料并不很多。目前我國(guó)大量生產(chǎn)和使用、性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)并具有統(tǒng)一分度表的熱電偶材料稱為定型熱電偶材料，共有六個(gè)品種。 它們分別是：銅一康銅、鎳鉻一考銅、鎳鉻一鎳硅、鎳鉻一鎳鋁、鉑銠 10 一鉑及鉑銠 30 一鉑銠 6 。其中鎳鉻一考銅熱電偶材料將逐漸地被淘汰。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定我國(guó)將發(fā)展鎳鉻一康銅、鐵一康銅熱電偶材料。此外，我國(guó)還生產(chǎn)一些未定型熱電偶材

8、料，如鉑銠 13- 鉑、銠 40- 銥、鎢錸 5- 鎢錸 26 等等。 在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶熱動(dòng)勢(shì)相近。補(bǔ)償導(dǎo)線與所配熱電偶見附表。 三、補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇使用 為了保證補(bǔ)償可靠、穩(wěn)定地工作，對(duì)它的結(jié)構(gòu)就有一定的要求。首先兩根導(dǎo)體彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路，此時(shí)測(cè)量端將會(huì)延伸到短路處，而不是需測(cè)量部位的溫度。因此，在選擇熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的時(shí)候，尤其要注意絕緣耐熱溫度，外護(hù)套應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。 一般用補(bǔ)償導(dǎo)線的絕緣層是以聚氯乙烯為主體材料的，根據(jù)其使用的最高溫度 70 和 100 分別標(biāo)記，對(duì)于高耐溫場(chǎng)合下應(yīng)選擇耐熱材料絕緣，如聚四氟乙烯。耐高溫硅橡膠絕緣等。 耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線的護(hù)套是以聚四氟乙烯 ( 用“ F ”標(biāo)記 ) 或無(wú)堿玻璃絲為主體材料。用無(wú)堿玻璃絲編制做護(hù)套必