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热电偶四大基本定律及证明

2020-05-07

热电偶的基本定律包括均质导体定律、中间导体定律、中间温度定律以及参考电极定律,热电偶的这四大基本定律对热电偶的应用有及其重要的作用。

一、均质导体定律

定义:由同一种均质材料(导体或半导体)两端焊接组成闭合回路,无论导体截面如何以及温度如何分布,将不产生接触电势,温差电势相抵消,回路中总电势为零。

可见,热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀,由于温度梯存在,将会产生附加热电势。

证明:热电偶的电势由两个接触电势和两个温差电势构成。即:

由于材料相同,没有接触电势;而温差电势为大小相同,方向相反的两个电势,相互抵消,也为零。

应用:根据这个定律,可以检验两个热电极材料成分是否相同(称为同名极检验法),也可以检查热电极材料的均匀性。

二、中间导体定律

定义:在热电偶回路中接入中间导体(第三导体),只要中间导体两端温度相同,中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响。

证明:证明过程参考热电偶中间定律的证明

应用:依据中间导体定律,在热电偶实际测温应用中,常采用热端焊接、冷端开路的形式,冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。例如,用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV值,在导线与热电偶连接处产生的接触电势是不会对测量产生附加误差。再比如可以将热电偶的两端不焊接而直接插入液态金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。

三、中间温度定律

定义:热电偶回路两接点(温度为t,t0)间的热电势,等于热电偶在温度为t、tn时的热电势与在温度为tn、t0时的热电势的代数和。tn称中间温度。

证明:

 

 

应用:由于热电偶E-T之间通常呈非线性关系,当冷端温度不为0摄氏度时,不能利用已知回路实际热电势E(t,t0)直接查表求取热端温度值;也不能利用已知回路实际热电势E(t,t0)直接查表求取的温度值,再加上冷端温度确定热端被测温度值,需按中间温度定律进行修正。初学者经常不按中间温度定律来修正!

四、参考电极定律

定义:如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知,则由这两种导体组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。

证明:

导体A、B分别与标准电极C组成热电偶,若它们所产生的热电动势为已知,即

 

 

那么,导体A与B组成的热电偶,其热电动势为

 

应用:标准电极定律是一个极为实用的定律。纯金属的种类很多,而合金类型更多。因此,要得出这些金属之间组合而成热电偶的热电动势,其工作量是极大的。由于铂的物理、化学性质稳定,熔点高,易提纯,所以,我们通常选用高纯铂丝作为标准电极,只要测得各种金属与纯铂组成的热电偶的热电动势,则各种金属之间相互组合而成的热电偶的热电动势就可以得到。

例如:热端为100℃,冷端为0℃时,镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV,而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为-4.0mV,则镍铬和考铜组合而成的热电偶所产生的热电动势则为 2.95mV-(-4.0mV)=6.95mV。

 

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