塞贝克效应及其应用

第22卷??第3期

2004年6月嘉应学院学报(自然科学)JOURNALOFJIAYINGUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vol??22??No??3Jun??2004

塞贝克效应及其应用

曾??辉1,曾??琪2

(1??嘉应学院电子信息工程系,广东梅州514015;

2??武汉大学化学科学与分子学院2001级化学基础班,湖北武汉430072)

????[摘??要]热电偶广泛用来实现对系统温度的测量与控制??阐述了其工作原理,并对可用于物体微区温度快速测量的热电偶进行了设计和计算??

[关键词]塞贝克效应;针状热电偶;点温测量

[中图分类号]O551??2[文献标识码]A[文章编号]1006-642X(2004)03-0052-03

????温度的测量是所有被测参数中需求量最大的一个物理量??

自19世纪发现塞贝克效应以来,测温传感器应用范围不断扩大,从零下200多度直到零上2千多度均可以用热电偶来测温,如镍铬??铁热电偶可测4K的低温;钨铼5??钨铼20热电偶可测2800 的高温??

1??塞贝克效应

由两种不同导体(或半导体)组成的闭合回路,当两接点保持在不同温度T1、T2时,回路中将有电流流过,此回路称热电回路,回路中出现的电流称为热电流,回路中出现的电动势称为塞贝克电动势,此效应称为塞贝克效应??热电回路中存在热电动势EAB,将回路断开,断开处便出现电势差!U=Uab,!U与!T有关(!T=T1-T2),当!T很小时,!V与!T成正比关系,定义为!V对!T微分,热电动势为SAB=!lim(!V/!T),或称SAB为材料A和B的塞贝克系数,它是热电偶最T?0

重要的特征量

EAB=SAB!T或EAB=#TSAB(T)dTT1

2

对塞贝克效应的分析得出如下规律:(1)由两相同导体组成的回路,即使两接触点温度不同电动势也为零,即回路必须由两种不同材料组成;(2)热电动势大小仅与导体(热电极)材料的性质有关,与两接点温度有关,与导体尺寸、形状及温度分布无关??

热电偶是由热电极、绝缘管、保护管、接线盒装配而成的??测温传感器其结构有:普通热电偶(用于炉内测控温);铠装热电偶(用于便携式测温、弯道内测温);快速热电偶(钢水、铁水消耗性测温);薄膜热电偶(瞬时测温、表面测温、点温测温)??薄膜热电偶是在真空镀膜技术上制作而成的,其最大优点就是响应速度快,可达??s级??薄膜热电偶分三种结构形式:片状热电偶、针状热电偶和直接在被测表面真空蒸镀形成的热电偶,热电偶材料选用分度号为T的Cu10~NiCu55铜一康铜热电极,该热电偶测温范围为-200 ~400 ??本文针对其针状热电偶进行点温测量的设计计算??[1]

2??快捷点温热电偶设计计算

热电偶采用针状结构,负热电极为康铜,在其周围真空蒸发覆盖一层绝缘材料,可先真空溅射镀一层硅,然后氧化形成SiO2;然后再镀一层铜形成正热电极,在针状的顶部,应无绝缘层,于是测温时????[收稿日期]2004-02-08

[作者简介]曾??辉(1956??),男,湖北武汉人,嘉应学院电子信息工程系副教授,硕士??

由于正极镀层薄(<1??m)与被测体平衡时间短,可瞬时反映被测体温度、时间常数为百分之几秒??

表1??常用8种热电极材料

序号1234

热电偶分度号正热电极成份负热电极成份

BRSN

PtRh30PtRh13PtRh10NiCr14.5Sil.5

PtRh6Pt100Pt100NiSi45mg0.1

序号5678

[2]

热电偶分度号正热电极成份负热电极成份

KJET

NiCr10FeNiCr10Cu100

NiSi3NiCu55NiCu55NiCu55

????由铜??康铜热电偶分度表(见表2)查得50 时,热电势EAB=2??044mV,0 时热电势EAB=0mV??塞贝克系数SAB=2??044/50=0??04088mV/ ,在0??50 区间最低处SAB=0??038,最高处SAB=0??043,经计算得平均误差!T1=?0??1 ??见表1??

表2??铜一康铜热电偶分度表部分数据

工作端温度

01020304050

00.0000.3910.7921.2011.6182.044

10.0390.4310.8321.2421.661

20.0780.4710.8731.2841.703

30.1160.5100.9141.3251.745

40.1550.5500.9541.3671.788

50.1940.5900.9951.4081.830

60.2340.6301.0361.4501.873

70.2730.6711.0771.4921.916

80.3120.7111.1181.5341.958

90.3520.7511.1591.5762.001

????已知EAB(50,0)=2??044mV

EAB(30,20)=0??409mV??????????EAB(20,10)=0??401mV

设计取室温20 为基准,当室温从20 升至30 时,热电势输出减少0??409mV;室温从20 降至10 时,热电势输出增大0??401mV,该值需要修正,即冷端温度补偿,选用铜热电阻组成电桥补偿电路来完成??选Cu50铜热电阻,温度为0 时该电阻阻值R0=50??,-50 <t<150 时,R1=R0(1+At+Bt+Ct),A=4??28899%10/ ,B=-2??133%10/ ,C=1??233%10/ ,

由R1=50(1+4??28899%10-3t-2??133%10-7t2+1??233%10-9t3)计算可得????????t=0 ??????Rt=50??

t=10 Rt=52??144??t=20 Rt=54??285??t=30 Rt=56??424??

补偿电桥四个臂中其它三个臂由54??285??的Mn-Cu电阻组成,见图1??由于20 时各桥臂电阻完全一致,故电桥输出为零,在20 时对热电偶标定,使其指示为准确被测物的真实温度值??

RtR3

电桥输出信号????V0=(-)V

R2+RtR3+R4i

t=20 ????Rt=R2=R3=R4=54??285??????V0=Vi%0=0t=30 ????Rt=56??424??????R2=R3=R4=54??285??

V0=(-)Vi=9??660%10-3Vi

54??285+56??4242

由前述,应补偿值为EAB(30,20)=0??409mV即电桥输出V0=0??409mV,可得电桥电源Vi=0??409/9??660%10-3=42??340mV

当室温由20 降为10 时电桥输出:

-)

54??285+52??1442

=-0??423mV

由前述室温从20 降至10 时热电势增大EAB(20,0)-EAB(10,0)=0??792-0??391=0??401mV两者差值为(-0??423+0??401)=-0??022mV,即在室温10 时电桥输出差值

V0=42??340(

??

??

2

3

-3

-7

-9

-0??0408mV折合温度-0??56 ??即测温误差!T2=-0??56 ,该误差较大??为使显示误差减小,将差值取50%即0??22mV/2为0??11mV??令10 时V0=-0??423+0??11mV=-0??412mV,此时热电势误差-0??412+0??410=-0??011相当于减去-0??011mV折合温度显示值-0??275 ??

-0??412=Vi(-)????????Vi=41??2mV54??285+52??1442

继续上推得,30 时V0=41??2(-)=0??398mV??10 时应增大0??409mV,54??285+56??4242

差值0??409-0??398=0??011mV,折合温度误差-0??275 ??温度总误差

!T1+!T2=?0??1 -0??275 =-0.375 ~0.175 ??

求出电路各参数如下:测温范围0~50 ;铜热电阻Cu50;电桥其它电阻为Mn-Cu材料,其电阻R=54.285??;基准电压IC选择AD780、2??5mV?(1~5)mV;测温误差-0??375 ~0??175

??

图1??热电偶测温电路示意图

3??结论

(1)采用薄膜式点温热电偶对实现对微区温度的快捷测量;

(2)采用铜电阻组成室温补偿电桥,补偿温差误差为-0??275 ,热电偶传感器测温误差为-0??375 ~0??175 ??

[参考文献]

[1]唐贤远,刘岐山??传感器原理及应用[M]??成都:电子科技大学出版社,2000??

[2]单成祥??传感器理论与设计基础及其应用[M]??北京:国防工业出版社,1999??

SeebeckEffectandItsApplication

ZENGHui,??ZENGQi

(1.DepartmentofElectronicandInformationEngineering,JiayingUniversity,Meizhou514015,China;

2.2001yearGrade,ChemistrybaseClass,SchoolofChemistryandMolecularScience,WuhanUniversity,Wuhan430070,China)Abstract:Thermocouplehavebeenwidelyusedtofestandcontralthetemperatureofsystem.Itsworkingprinciplehasbeendiscussed,thethermocouplewhichcanrapidlytestbodytemperaturewithinatingareahavebeendesignedanditsapplicationcircuithasalsobeencalcu??latedinthispaper.

Keywords:seebeck;effect;needle-formthermocouple;measurementoftingarea&stemperature