工業熱電偶測溫原理及公式
兩種不同材料的導體(或半導體)組成一個閉合回路,當兩接點溫度T和T0不同時,則在該回路中就會產生電動勢,這種現象稱為熱電效應,該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為工業熱電偶,導體A、B稱為熱電極。兩個接點,一個稱熱端,又稱測量端或工作端,測溫時將它置于被測介質中;另一個稱冷端,又稱參考端或自由端,它通過導線與顯示儀表相連。
接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。兩種導體接觸時,自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散, 在接觸處失去電子一側帶正電,得到電子一側帶負電,擴散達到動平衡時,在接觸面的兩側就形成穩定的接觸電勢。接觸電勢的數值取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢eAB(T)和eAB(T0)可表示為
式中: K——波爾茲曼常數; e——單位電荷電量; NAT、NBT和NAT0、NBT0——溫度分別為T和T0時,A、B兩種材料的電子密度。
溫差電勢是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。同一導體的兩端溫度不同時,高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大,因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多,結果高溫端因失去電子而帶正電,低溫端因獲得多余的電子而帶負電,因此,在導體兩端便形成接觸電勢,其大小由下面公式給出:
式中, NAt和NBt分別為A導體和B導體的電子密度,是溫度的函數。
工業熱電偶回路中產生的總熱電勢為
eAB(T, T0)=eAB(T)+eB(T,T0)-eAB(T0)-eA(T,T0)
在總熱電勢中,溫差電勢比接觸電勢小很多,可忽略不計, 則工業熱電偶的熱電勢可表示為 :eAB(T,T0)=eAB(T)-eAB(T0)
對于已選定的工業熱電偶,當參考端溫度T0恒定時,eAB(T0)=c為常數,則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系,即 eAB(T,T0)=eAB(T)-c=f(T)
這一關系式在實際測量中是很有用的,即只要測出eAB(T, T0)的大小,就能得到被測溫度T,這就是利用工業熱電偶測測溫的原理。