热电偶的工作原理

什么是热电偶工作原理?热电偶基于热电学的原理工作:当热端处的温度相对于冷端处的温度发生变化时,由异种金属线构成的闭合电路会产生电压变化。
为了更直观地了解这一原理的作用,可以想象一下,将平底锅放在煤气灶上时,热能会很快沿锅柄传递到手握的低温端处,其实电能也是这样传递的,只是效果没有那么明显罢了。
之所以如此,是因为电路上两个”端点”的温度存在差异:当各端点间的温差产生电动势时,就会形成电流,而热电偶使用随附的电压表来测量电流。如果热电偶已知低温端具有稳定的起始温度,它就可以利用这些电压读数来计算热端的精确温度读数。
另外还有一点需要注意,如果两个端点的温度相同,那么在每个端点上产生的电动势就会相互抵消,使流经端点的净电流为零。
什么是塞贝克效应?简单来说,上述原理就是物理学家托马斯·约翰·塞贝克(Thomas Johann Seebeck)发现的塞贝克效应。他是第一个发现这一效应的人,即在不同温度的两个端点处,两种不同金属结合在一起会产生电动势,并且该电动势特性取决于特定的金属组合。
另外两位物理学家帕尔贴(Peltier)和汤姆逊(Thomson)进一步完善了塞贝克的发现,即通过应用严格的科学公式,可以使用不同金属电路中记录的精确电压值来推算之前未知的温度值。
因此,现代热电偶原理至少是在三位物理学家的观察结果上得出的,而所有这些观察结果都源于塞贝克效应。热电偶的外观根据热电偶预期的应用和工作环境,其外观可能会有所不同。但基于下面的热电偶示例,它们均依赖于相同的基本原理和系统:
两根或多根不同的热电偶导线在电路中形成(至少)两个端,其中一个始终保持稳定的温度——通常比测量(”热端”)端的温度低,但有时可能会更高。
将电压表连接到该电路以读取由温差引起的电动势所产生的电流,然后可以利用这一电流值计算测量端的精确温度读数。
热电偶的类型如前所述,当今市场出售各种热电偶类型,旨在应对不同的应用场景或环境挑战,尤其是应对不同的温度范围。它们通常采用字母区分,最常见的热电偶等级是J、K、L、N和T。
这些字母旨在代表热电偶电路端中使用的不同金属组合。这将直接影响设备的整体温度敏感性和安全操作范围。
在本指南的这一部分,我们将介绍究一些不同类型和配置的热电偶,以了解它们的使用环境和温度范围。
K型热电偶众多行业和部门最常使用的类型。K型热电偶由不同的镍基导线(通常是铬合金/铝合金)构成,这是一种成本效益极高的热电偶,可以在宽泛的工作温度范围内实现可靠精度。K型热电偶通常在-200至+1260℃范围内使用,标准差精度±0.75%。K型热电偶采用镍基材料,具有广泛的潜在应用范围,即它的导线可以适用于广泛的温度范围,还具有稳定的抗腐蚀和抗氧化能力。K型热电偶导线通常由约90%的镍、10%的铬构成正极,约95%的镍、2%的铝、2%的锰和1%的硅构成负极。
J型热电偶这是另一种广泛使用的类型,它们的温度范围要小于K型热电偶(-40至+750℃),并且如果经常暴露于高温下,它们的总寿命也会缩短。J型热电偶的正极由铁丝制成,负极由铜镍(康铜)合金构成。它是一种相对便宜的热电偶,具有多种用途,特别适合还原性(非氧化)气氛和真空环境,能够读取众多旧类型设备以及惰性材料的数据。但J型热电偶中的铁极易被氧化,如果需要将热电偶暴露于水分中,不建议使用这种类型。
N型热电偶采用镍铬硅-镍硅合金(镍、铬和硅)构成导线,其工作温度范围为-270至+1300℃,众多特性与K型热电偶相似。但它们的价格比K型热电偶略高,因为它们克服了在特定环境中K型热电偶会存在的某些问题,是一种新开发产品。此外,N型热电偶可以为核应用提供更好的稳定性,与K型热电偶相比,它在极端高温下更
T型热电偶采用铜-康铜合金丝材料,温度范围介于-200到+350℃之间,是一种特别稳定的热电偶配置。它非常适合各种低温以及极端低温应用,包括各种实验室条件和深冻条件,在氧化性气氛中也能良好工作。此外,它只有铜线直接接触探头,还可以用于差动测量。
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