热电偶传感器课件..

(2) 中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种导体C，只要第 三种导体的两接点温度相同，则回路中总 的热电动势不变。 C
T0 T0
右图回路中的总电动势为：
A
T
B
E ABC T，T0 e AB T eBC T0 eCA T0
如果回路中三个接点的温度都相同，即T＝ T0，则回路总电动势必为零，即：
第七章 热电偶传感器
热电偶
一、 热电偶的工作原理 1. 热电效应
热电效应：两种不同材料的导体（或半导体）组成一个闭合 回路，当两接点温度T和T0不同时，则在该回路中就会产生电 动势的现象。
常见热电偶
热电势 EAB( T,T0 )
B B T A T0 T
T0
A
热电偶 热电极 热端（工作端）
冷端（自由端）
e AB (T0 ) + eBC (T0 ) + eCA (T0 ) = 0
E ABN e AB T1 eBC T2 eNA TN
3. 热电偶基本定律 （1)中间温度定律 热电偶在两接点温度分别为T、T0时的热电 动势等于该热电偶在接点温度分别为T、Tn 和接点温度分别为Tn、T0时的相应热电动势 的代数和。
T A B Tn A B A B T0
接触电动势的大小与两种金属的材料、接 点的温度有关，与导体的直径、长度及几 何形状无关。 对于温度为T的接点，有下列接触电动势公 式：
kT N A e AB T ln e NB
上式说明接触电动势的大小与接点温度的 高低及导体中的电子密度有关。
（2）温差电动势
对于任何一种金属，当其两端温度不同时， 两端的自由电子浓度也不同，温度高的一 端浓度大，具有较大的动能；温度低的一 端浓度小，动能也小。因此高温端的自由 电子要向低温端扩散，高温端因失去电子 而带正电，低温端得到电子而带负电，形 成温差电动势，又称汤姆森电动势。
证明：E AB T，Tn E AB Tn，T0 E e (e T ) e－ ne T ) en (Te T T － eT ( e AB AB AB ( 0) AB BA 0) AB T AB AB T0
＝E AB T，T0
e AB T －e AB T0
④ 导体材料确定后，热电动势的大小只与 热电偶两端的温度有关。如果使eAB（T0）= 常数，则回路热电动势EAB（T， T0 ）就只 与温度T有关，而且是T的单值函数，这就 是利用热电偶测温的基本原理。
⑤ 对于有几种不同材料串联组成的闭合回路， 若各接点温度分别为T1、T2……TN ，闭合回 路总的热电动势为：
2.热电动势的产生
1）单一导体的温差电势
2）两种导体的接触电势 3）热电偶回路的总热电动势
热电势 EAB( T,T0 ) （1 ）接触电动势
接触电势
温差电势
若金属A的自由电子浓度大于金属B的，则在同 一瞬间由A扩散到B的电子将比由B扩散到A的电 子多，因而A对于B因失去电子而带正电，B获 得电子而带负电，在接触处便产生电场。A、B 之间便产生了一定的接触电动势。
② 只有用不同性质的材料才能组合成热电 偶，相同材料不会产生热电动势。因为当A、 B两种导体是同一种材料时， ln（NA/NB）=0，所以EAB时，不同材料 组成的热电偶才能有热电动势产生；当热电 偶两端温度相同时，不同材料组成的热电偶 也不产生热电动势，即EAB（T，T）=0。
上式说明：只要A、B组成的热电偶在冷端 温度为零时的“热电动势 — 温度”关系已 知，则它在冷端温度不为零时的热电动势即 可知。
中间温度定律表明：当在原来热电偶回路 中分别引入与导体材料A、B相同热电特 性的材料C、D即引入所谓补偿导线时， 只要它们之间连接的两点温度相同，则总 回路的热电动势与两连接点温度无关，只 与热电偶两端的温度有关。
NA k E AB (T ,T0 ) ≈e AB (T )－e AB (T0 ) = (T－T0 )ln e NB
E T ,T e T －e T f T －C
AB 0 AB AB 0
在标定热电偶时，一般使T0为常数，则
3. 热电偶基本性质
① 热电偶回路的热电动势只与组成热电偶 的材料及两端接点的温度有关；与热电偶 的长度、粗细、形状无关。
即：E AB (T，T0 ) = E AB (T，Tn ) + E AB (Tn，T0 ) 对于冷端温度不是零度时，热电偶如何分 度表的问题提供了依据。
当Tn=0℃时，则：
= E AB (T， 0)－E AB (T0， 0) E AB (T，T0 ) = E AB (T， 0) + E AB (0，T0 )
eA (T , T0 )
eB (T , T0 )
温差电动势的大小取决于导体的材料及两端 的温度。导体A两端的温差电动势可用下式 表示： T
e A T，T0 A dT
T0
eA（T，T0）——导体A两端温度分别为T、 T0时形成的温差电动势； T、T0——高、低温端的绝对温度； σA——汤姆逊系数，表示导体A两端的温度 差为1℃时所产生的温差电动势。
T kT N AT kT0 N AT 0 ln － ln Ｂ－ Ａ dT T0 e N BT e N BT 0
由于在金属中自由电子数目很多，温度对自 由电子密度的影响很小，故温差电动势可以 忽略不计，在热电偶回路中起主要作用的是 接触电动势。NAT和NAT0可记做NA，NBT和 NBT0可记做NB ，则 有
同样导体B两端的温差电动势如下式所示：
eB T，T0 B dT
T T0
(3) 回路总电动势
eA(T,T0)
A eAB(T) T B eB(T,T0) T0 eAB(T0)
图6-4 闭合回路总的热电势
E AB T ,T0 e AB T －e AB T0 eB T ,T0 －e A T ,T0