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熱電偶四大基本定律及證明


日期:2020/4/17 15:59:44
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摘要:熱電偶的基本定律包括均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律以及參考電極定律,熱電偶的這四大基本定律對(duì)熱電偶的應(yīng)用有及其重要的作用。

一、均質(zhì)導(dǎo)體定律

定義:由同一種均質(zhì)材料(導(dǎo)體或半導(dǎo)體)兩端焊接組成閉合回路,無(wú)論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布,將不產(chǎn)生接觸電勢(shì),溫差電勢(shì)相抵消,回路中總電勢(shì)為零。

可見(jiàn),熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻,由于溫度梯存在,將會(huì)產(chǎn)生附加熱電勢(shì)。

證明:熱電偶的電勢(shì)由兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)構(gòu)成。即:

由于材料相同,沒(méi)有接觸電勢(shì);而溫差電勢(shì)為大小相同,方向相反的兩個(gè)電勢(shì),相互抵消,也為零。

應(yīng)用:根據(jù)這個(gè)定律,可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同(稱為同名極檢驗(yàn)法),也可以檢查熱電極材料的均勻性。

二、中間導(dǎo)體定律

定義:在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體(第三導(dǎo)體),只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同,中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路總電勢(shì)沒(méi)有影響。

證明:證明過(guò)程參考熱電偶中間定律的證明

應(yīng)用:依據(jù)中間導(dǎo)體定律,在熱電偶實(shí)際測(cè)溫應(yīng)用中,常采用熱端焊接、冷端開(kāi)路的形式,冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測(cè)溫系統(tǒng)。例如,用銅導(dǎo)線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值,在導(dǎo)線與熱電偶連接處產(chǎn)生的接觸電勢(shì)是不會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生附加誤差。再比如可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測(cè)量。

三、中間溫度定律

定義:熱電偶回路兩接點(diǎn)(溫度為t,t0)間的熱電勢(shì),等于熱電偶在溫度為t、tn時(shí)的熱電勢(shì)與在溫度為tn、t0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和。tn稱中間溫度。

證明:

應(yīng)用:由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系,當(dāng)冷端溫度不為0攝氏度時(shí),不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E(t,t0)直接查表求取熱端溫度值;也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢(shì)E(t,t0)直接查表求取的溫度值,再加上冷端溫度確定熱端被測(cè)溫度值,需按中間溫度定律進(jìn)行修正。初學(xué)者經(jīng)常不按中間溫度定律來(lái)修正!

四、參考電極定律

定義:如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知,則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。

證明:

導(dǎo)體A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶,若它們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)為已知,即

那么,導(dǎo)體A與B組成的熱電偶,其熱電動(dòng)勢(shì)為

應(yīng)用:標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律。純金屬的種類很多,而合金類型更多。因此,要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì),其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,熔點(diǎn)高,易提純,所以,我們通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極,只要測(cè)得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì),則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)就可以得到。

例如:熱端為100℃,冷端為0℃時(shí),鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為2.95mV,而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)為-4.0mV,則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)則為 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV。


摘自2016-12-09 溫度計(jì)量測(cè)控

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