熱電偶微電動勢和補償導(dǎo)線應(yīng)用原理

1、熱電偶微電動勢和補償導(dǎo)線應(yīng)用原理 在 工業(yè)生產(chǎn)過程中，測量溫度的熱電偶應(yīng)用極為廣泛，它具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、測量范圍廣、精度高、慣性小和輸出信號便于遠傳等許多優(yōu)點，所以常被用作測量 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，而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本，通常采 用補償導(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勢標(biāo)稱值相同的一對帶絕緣包覆的導(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測溫

2、的影響，不起補償作用。 一、回路電動勢的構(gòu)成 當(dāng) 由兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體組成一個回路，其兩端相互連接時只要兩結(jié)點處的溫度不同，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)生一個電動勢該電動勢的方向和大小與導(dǎo)體的材料及兩接點的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)” , 產(chǎn)生的電動勢則稱為“熱電動勢”。熱電動勢由兩部分電動勢組成，一部分是兩種導(dǎo)體的接觸電動勢 ( 帕爾貼電勢 ) ，另一部分是單一導(dǎo)體的溫差電動勢 ( 湯姆遜電勢 ) 。 1 接觸電動勢 當(dāng) A 和 B 兩種不同材料的導(dǎo)體接觸時，由于兩者的自由電子體密度存在差異，就會在接觸

3、處產(chǎn)生自由電子的擴散運動 , 形成擴散電子流。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) ，擴散運動的結(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，從而在電場作用下產(chǎn)生漂移運動，形成與擴散運動方向相反的漂移電子流。二者達到動態(tài)平衡形成穩(wěn)定的電場，產(chǎn)生接觸電動勢。 由于接觸電動勢的大小由導(dǎo)體的自由電子體密度差異決定，因此只與導(dǎo)體的材料、接點的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的直徑、長度及幾何形狀無關(guān)。對于溫度分別為 t 和 t0 的兩接點，可得下列接觸電動勢公式： 式中： K 為波爾茲曼常數(shù)； t 以絕對溫度表示的溫度值； e 為電子電荷量。 2 溫差電動

4、勢 對 于導(dǎo)體 A 或 B ，將其兩端分別置于不同的溫度場 t 、 to 中 (tto) 在導(dǎo)體內(nèi)部，熱端的自由電子具有較大的動能，將向冷端移動，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)生了一個由熱端指向冷 端的靜電場。該電場阻止電子從熱端繼續(xù)跑到冷端并使電子反方向移動最后達到動態(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勢。溫差 電動勢的大小取決于導(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熱電極材料相同，無論兩接點的溫度如何，熱電動勢為零。 3 補償導(dǎo)線對熱電動勢的影響 若在熱電偶中引入補償導(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勢標(biāo)稱值相同，在兩接點溫度 t 、 to 的熱電動勢等于該熱電偶在接點溫度為 t 、 tn 和 tn 、 to 的相應(yīng)熱電動勢的代數(shù)和。 該式為補償導(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，只要接入的導(dǎo)體組成熱電偶的熱電特性與被延長的熱電偶的熱電特性相同且它們之間連接的兩點溫度相同，則總回路的熱電動勢與連接點溫度無關(guān)，只與延長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)體的兩接點溫度相同，則回路中總的熱電動勢不變。與此相似，對于傳熱均勻的材料，補償導(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行溫度

6、測量。但是，對于通常條件下的固體傳熱塊的溫度測量，應(yīng)盡可能將補償導(dǎo)線測量端焊接成一體以盡可能減小結(jié)點溫度不均勻 給測量帶來的誤差。 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 溫度測量范圍廣 要求在規(guī)定的溫度測量范圍內(nèi)有較高的測量精確度，有較大的熱電動勢。溫度與熱電動勢的關(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)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時熱電性能穩(wěn)定均勻性和復(fù)現(xiàn)性好。通過改進的同種材料組成熱電偶產(chǎn)生熱電勢的試驗，發(fā)現(xiàn)有微弱熱電勢產(chǎn)生。這說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)定的溫度測量范圍內(nèi)使用時不產(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。目前我國大量生產(chǎn)和使用、性能符合專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(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)國際電工委員會 (IEC) 標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定我國將發(fā)展鎳鉻一康銅、鐵一康銅熱電偶材料。此外，我國還生產(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。 在使用熱電偶補償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導(dǎo)線與熱電偶熱動勢相近。補償導(dǎo)線與所配熱電偶見附表。 三、補償導(dǎo)線的選擇使用 為了保證補償可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(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，此時測量端將會延伸到短路處，而不是需測量部位的溫度。因此，在選擇熱電偶補償導(dǎo)線的時候，尤其要注意絕緣耐熱溫度，外護套應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。 一般用補償導(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，對于高耐溫場合下應(yīng)選擇耐熱材料絕緣，如聚四氟乙烯。耐高溫硅橡膠絕緣等。 耐熱用補償導(dǎo)線的護套是以聚四氟乙烯 ( 用“ F ”標(biāo)記 ) 或無堿玻璃絲為主體材料。用無堿玻璃絲編制做護套必