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热电偶学理
热电偶学理
温度的测量
温度是物质的一种特性,它反映出物质内的粒子运动的自由度,温度越高意味着粒子在物质内运动的自由度越大,乱度也越大。
热电偶(thermocouple)—
K-型热电偶(chromel-alumel)含两条合金金属,即
chromel:
90%Ni(镍)+10%Cr(铬)
alumel:
95%Ni(镍)+2%Al(铝)+2%Mn(锰)+1%Si(硅)
温度测量适用范围:
-270C到1372C
测量方法:
直接接触被测量物体,不同的温度下,金属的电阻会有差异(膨胀程度也有异),当通过定量的电流时会造成电压差,此电压差与被测量物体的温度成正比关系,因此热电偶可作为温度测量之用。
应用:
测量低温(例如液态氮,77K)、高温(例如火炉上的炒锅),可和其它仪器装置使用,作为电动开关或测量其它物理量(例如气体压力)
一个热电偶包含有两条线,分别由不同的金属材料制成在端部的地方焊接在一起。
当此焊接点(量测接合点)受到加热时,将产生使热电流运动的力量,其大小等于温度不同的焊接点和另外一端(参考接点)间的温度差。
因此藉使参考接点的温度保持定值或是利用自动补偿电流表,来量测热电流的运动力,而量测接点的温度也就可量测出。
热电偶的热电流运动力系与线径之大小或长度无关。
但与电线的规格有关。
热电偶通常都置于绝缘体内而且密封于保护管中,此保护管与端子座及镶嵌附件相连。
热电偶之基本原理
如右图所示,利用两种均质之金属导体A与B所制作形成之封闭回路,当两接合点之温度为T1与T2时,若T1>T2时回路内产生电流i,若T1=T2时无电流产生,当T1<T2时电流i之方向会相反。
此种现象在1821年由T.J.Seebeck发现,因此被称之为席贝克效应(Seebeckeffect)。
当回路内之电流流动时会产生电动势,称为热电动势(emf),将基准接点打开后之端子所量测之电动势被称为Seebeckemf。
利用席贝克效应以两种金属与两端接合点所形成之测定温度感应装置称为热电偶。
热电偶Thermocouple
SeebeckEffect席贝克效应
如右图所示,利用两种均质之金属导体A与B所制作形成之封闭回路,当两接合点之温度为T1与T2时,若T1>T2时回路内产生电流i,若T1=T2时无电流产生,当T1<T2时电流i之方向会相反。
此种现象在1821年由T.J.Seebeck发现,因此被称之为席贝克效应(Seebeckeffect)。
当回路内之电流流动时会产生电动势,称为热电动势(emf),将基准接点打开后之端子所量测之电动势被称为Seebeckemf。
利用席贝克效应以两种金属与两端接合点所形成之测定温度感应装置称为热电偶。
对于两个接合点,将基准接点固定保持在某一已知之固定温度(通常为0℃),便可以利用基准接点所量测到之测温接点产生之热电动势换算成温度值。
此处要注意的是,虽然热电动势是由T1与T2所决定,但热电动势值并不是由两温接点之温度差(T1-T2)所决定,等温度间距但不同区间(比如说0~200℃与200~400℃)之热电动势值是不一样的。
热电偶三大定律
均质回路定律
由单一均质金属所形成之封闭回路,沿回路上每一点即使改变温度也不会有电流产生。
亦即,E=0。
在由2种类均质金属A与B所形成之热电偶回路,E为A与B的接合点之温度t1与t2相关之关系函数,不受A与B之中间温度t3与t4之影响。
中间金属定律
在由A与B所形成之热电偶回路两接合点以外的任意点插入均质的第三金属C,C之两端接合点之温度t3若为相同的话,E不受C插入之影响。
在由A与B所形成之热电偶回路,将A与B的接合点打开并插入均质的金属C时,A与C接合点的温度与打开前接合点的温度相等的话,E不受C插入的影响。
如右图所示,对由A与B所形成之热电偶插入第3之中间金属C,形成由A与C、C与B之2组热电偶。
接合点温度保持t1与t2的情况下,EAC+ECB=EAB。
中间温度定律
如右图所示任意数的异种金属A、B、C‧‧‧G所形成的封闭回路,封闭回路之全体或是全部的接合点保持在相等的温度时,此回路的E=0。
如右图所示,A与B所形成之热电偶,两接合点之温度为t1与t2时之E为E12,t2与t3时之E为E13的话,E12+E23=E13。
此时,称t2为中间温度。
以中间温度t2选择如0℃这样的标准温度,求得相对0℃任意的温度t1、t2、t3‧‧‧tn之热电动势,任意两点间之热电动势便可以计算求得。
如右图所示,对于使用补偿导线之热电偶回路适用以上之观念。
A与B为热电偶,C与D为A、B用之补偿导线,M为数字电压计,计算后可得下面关系式:
E=EAB(t1) -EAB(t3)
也就是说,M所测定之电位差是由t1、t3所决定,不受t2之影响。
Ktype
0
-1
-2
3
4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
-16
-17
-18
-19
-20
-260
-6.4411
-6.4436
-6.4460
-6.4481
-6.4501
-6.4518
-6.4534
-6.4547
-240
-6.3438
-6.3508
-6.3576
-6.3641
-6.3704
-6.3765
-6.3824
-6.3880
-6.3934
-6.3986
-6.4036
-6.4083
-6.4129
-6.4172
-6.4212
-6.4251
-6.4287
-6.4321
-6.4353
-6.4383
-6.4411
-220
-6.1584
-6.1697
-6.1808
-6.1916
-6.2023
-6.2127
-6.2230
-6.2330
-6.2428
-6.2524
-6.2618
-6.2710
-6.2800
-6.2887
-6.2973
-6.3056
-6.3137
-6.3215
-6.3292
-6.3366
-6.3438
-200
-5.8914
-5.9066
-5.9216
-5.9363
-5.9510
-5.9654
-5.9796
-5.9936
-6.0075
-6.0211
-6.0346
-6.0479
-6.0610
-6.0738
-6.0865
-6.0990
-6.1113
-6.1234
-6.1353
-6.1469
-6.1584
-180
-5.5503
-5.5691
-5.5876
-5.6060
-5.6242
-5.6422
-5.6601
-5.6777
-5.6952
-5.7126
-5.7297
-5.7467
-5.7635
-5.7801
-5.7966
-5.8128
-5.8289
-5.8448
-5.8605
-5.8761
-5.8914
-160
-5.1412
-5.1632
-5.1851
-5.2067
-5.2283
-5.2496
-5.2708
-5.2918
-5.3127
-5.3334
-5.3540
-5.3744
-5.3946
-5.4146
-5.4345
-5.4542
-5.4738
-5.4932
-5.5124
-5.5315
-5.5503
-140
-4.6690
-4.6940
-4.7189
-4.7437
-4.7683
-4.7927
-4.8170
-4.8412
-4.8652
-4.8890
-4.9127
-4.9363
-4.9596
-4.9829
-5.0060
-5.0289
-5.0517
-5.0743
-5.0968
-5.1191
-5.1412
-120
-4.1382
-4.1661
-4.1938
-4.2214
-4.2488
-4.2761
-4.3033
-4.3303
-4.3572
-4.3840
-4.4106
-4.4371
-4.4634
-4.4896
-4.5157
-4.5416
-4.5674
-4.5930
-4.6185
-4.6438
-4.6690
-100
-3.5536
-3.5841
-3.6144
-3.6446
-3.6746
-3.7046
-3.7344
-3.7641
-3.7936
-3.8230
-3.8523
-3.8815
-3.9106
-3.9395
-3.9683
-3.9969
-4.0254
-4.0538
-4.0821
-4.1102
-4.1382
-80
-2.9201
-2.9529
-2.9855
-3.0181
-3.0505
-3.0828
-3.1150
-3.1471
-3.1791
-3.2109
-3.2427
-3.2743
-3.3058
-3.3372
-3.3685
-3.3996
-3.4307
-3.4616
-3.4924
-3.5231
-3.5536
-60
-2.2428
-2.2776
-2.3124
-2.3470
-2.3815
-2.4160
-2.4503
-2.4845
-2.5187
-2.5527
-2.5866
-2.6204
-2.6542
-2.6878
-2.7213
-2.7547
-2.7880
-2.8212
-2.8543
-2.8873
-2.9201
-40
-1.5269
-1.5636
-1.6001
-1.6366
-1.6730
-1.7093
-1.7455
-1.7816
-1.8176
-1.8535
-1.8894
-1.9251
-1.9608
-1.9964
-2.0319
-2.0673
-2.1026
-2.1378
-2.1729
-2.2079
-2.2428
-20
-0.7775
-0.8157
-0.8538
-0.8919
-0.9299
-0.9678
-1.0056
-1.0433
-1.0810
-1.1186
-1.1561
-1.1936
-1.2309
-1.2682
-1.3054
-1.3425
-1.3796
-1.4166
-1.4534
-1.4902
-1.5269
0
0.0000
-0.0394
-0.0788
-0.1181
-0.1574
-0.1966
-0.2358
-0.2749
-0.3139
-0.3529
-0.3919
-0.4307
-0.4695
-0.5083
-0.5469
-0.5855
-0.6241
-0.6625
-0.7009
-0.7393
-0.7775
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
0
0.0000
0.0395
0.0790
0.1186
0.1582
0.1979
0.2376
0.2773
0.3171
0.3570
0.3969
0.4368
0.4768
0.5168
0.5569
0.5970
0.6371
0.6773
0.7175
0.7578
0.7981
20
0.7981
0.8385
0.8789
0.9193
0.9597
1.0002
1.0408
1.0813
1.1220
1.1626
1.2033
1.2440
1.2847
1.3255
1.3663
1.4071
1.4480
1.4889
1.5298
1.5708
1.6118
40
1.6118
1.6528
1.6938
1.7349
1.7760
1.8171
1.8583
1.8994
1.9406
1.9818
2.0231
2.0643
2.1056
2.1469
2.1882
2.2296
2.2709
2.3123
2.3537
2.3951
2.4365
60
2.4365
2.4779
2.5193
2.5608
2.6023
2.6437
2.6852
2.7267
2.7682
2.8097
2.8512
2.8928
2.9343
2.9758
3.0174
3.0589
3.1005
3.1420
3.1836
3.2251
3.2666
80
3.2666
3.3082
3.3497
3.3913
3.4328
3.4743
3.5159
3.5574
3.5989
3.6404
3.6819
3.7234
3.7648
3.8063
3.8478
3.8892
3.9306
3.9721
4.0135
4.0549
4.0962
100
4.0962
4.1376
4.1789
4.2203
4.2616
4.3029
4.3441
4.3854
4.4266
4.4679
4.5091
4.5502
4.5914
4.6325
4.6737
4.7147
4.7558
4.7969
4.8379
4.8789
4.9199
120
4.9199
4.9608
5.0018
5.0427
5.0836
5.1244
5.1653
5.2061
5.2469
5.2877
5.3284
5.3691
5.4098
5.4505
5.4911
5.5317
5.5723
5.6129
5.6535
5.6940
5.7345
140
5.7345
5.7750
5.8154
5.8559
5.8963
5.9367
5.9771
6.0174
6.0577
6.0981
6.1383
6.1786
6.2189
6.2591
6.2993
6.3395
6.3797
6.4198
6.4600
6.5001
6.5402
160
6.5402
6.5803
6.6204
6.6605
6.7005
6.7406
6.7806
6.8206
6.8606
6.9006
6.9406
6.9806
7.0205
7.0605
7.1004
7.1404
7.1803
7.2203
7.2602
7.3001
7.3400
180
7.3400
7.3799
7.4199
7.4598
7.4997
7.5396
7.5795
7.6194
7.6593
7.6992
7.7391
7.7790
7.8190
7.8589
7.8988
7.9387
7.9787
8.0186
8.0586
8.0985
8.1385
200
8.1385
8.1784
8.2184
8.2584
8.2984
8.3384
8.3784
8.4184
8.4585
8.4985
8.5386
8.5787
8.6187
8.6588
8.6989
8.7391
8.7792
8.8194
8.8595
8.8997
8.9399
220
8.9399
8.9801
9.0203
9.0606
9.1008
9.1411
9.1814
9.2217
9.2620
9.3023
9.3427
9.3831
9.4234
9.4638
9.5043
9.5447
9.5852
9.6256
9.6661
9.7066
9.7472
240
9.7472
9.7877
9.8283
9.8688
9.9094
9.9500
9.9907
10.0313
10.0720
10.1127
10.1534
10.1941
10.2348
10.2756
10.3163
10.3571
10.3979
10.4388
10.4796
10.5205
10.5613
260
10.5613
10.6022
10.6431
10.6840
10.7250
10.7659
10.8069
10.8479
10.8889
10.9299
10.9709
11.0120
11.0531
11.0941
11.1352
11.1763
11.2175
11.2586
11.2998
11.3409
11.3821
280
11.3821
11.4233
11.4645
11.5058
11.5470
11.5882
11.6295
11.6708
11.7121
11.7534
11.7947
11.8360
11.8774
11.9187
11.9601
12.0015
12.0429
12.0843
12.1257
12.1671
12.2086
300
12.2086
12.2500
12.2915
12.3330
12.3744
12.4159
12.4574
12.4990
12.5405
12.5820
12.6236
12.6651
12.7067
12.7483
12.7899
12.8315
12.8731
12.9147
12.9563
12.9980
13.0396
320
13.0396
13.0813
13.1230
13.1646
13.2063
13.2480
13.2897
13.3314
13.3731
13.4149
13.4566
13.4984
13.5401
13.5819
13.6237
13.6654
13.7072
13.7490
13.7908
13.8327
13.8745
340
13.8745
13.9163
13.9582
14.0000
14.0419
14.0837
14.1256
14.1675
14.2094
14.2512
14.2931
14.3351
14.3770
14.4189
14.4608
14.5028
14.5447
14.5867
14.6286
14.6706
14.7126
360
14.7126
14.7546
14.7965
14.8385
14.8806
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