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热电效应的重要应用:热电偶测温仪的测温原理

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       热电偶测温仪是电子产品热设计领域应用最为广泛的测温仪器。本文对热电偶的测温原理进行介绍。

热电偶的测温基于塞贝克效应。即当两种不同的金属组成回路时,两个节点间的温差会导致回路中产生电势。这种由于温差导致的电势称为热电势。

结点1和结点2之间温差与热电势之间存在一一对应的函数关系。因此,可以通过测量两点之间的电势来换算结点1和结点2之间的温差。

  

需要注意的是,不同金属相互接触时,由于自由电子密度不同,电子将会从密度高的区域扩散到密度低的区域,从而产生接触电势。显然接触电势与自由电子的扩散速率有关,而电子的扩散速率与温度直接相关。以上图为例,AB两种金属存在两个结点,假设结点1温度更高,且A中的自由电子密度更大,那么,回路中将会出现这种情况:在结点1处,A中的自由电子将转移到B中的速率更快,自由电子在回路中的移动方向是逆时针,电流方向为顺时针,图中的电压表指针将向右偏斜。

当两个结点温度相同时,电子转移的速率相同,两端处于电势平衡状态,回路中则不会出现电流。

另外,对于相同的导体,当两端温度不同时,也会产生电势。高温端的电子能量要比低温端的电子能量高,电子将会从这个方向朝低温端转移,于是低温端电势更低。这种电势称为温差电势。

实际测得的热电势为:

热电势 = 温差电势 + 接触电势

 

在实际的测量中,温差电势比接触电势小很多,一般可以略去不考虑。这样,对于一个由不同金属构成的回路,当其中一端的温度固定为T0时,测得的电势将只与另一端的温度有关。

对于实际的测试,我们知道,我们很难保证参考端的温度恒定。比如,测试某板卡上内存颗粒的温度时,室内温度有可能是20℃,也有可能是25℃,甚至,有时候整个模块都会放置到温箱中去。这样,冷端的温度将处于千变万化之中。对于这一问题,常用的热电偶测试仪器是采用如下方法进行破除的。

首先,热电偶测温原理中有一条中间温度定律。定律内容是:

热电偶AB在结点温度为TT0是的热电势EabTT0)等于热电偶AB在结点温度TTcTcT0时的热电势的代数和:

EabTT0 = Eab)(TTc + EabTcT0


 这样,当参考端温度不为零时,可以依照这一规律来进行修正。

 电路内部,存在如下图所示意的一个补偿电桥。其基本思想是,补偿电桥与参考端处于同一温度下,补偿电桥中的电阻将会随温度的变化而变化,由此产生电势的变化。经过一定的电阻匹配性设计,这种电势的变化,恰好可以补偿参考端温度变化引起的电势改变。于是,参考端温度的变化就被充分考虑在内了。

 

       看起来,几个热敏电阻,几个电流表,成本应该极低。但精度的控制,是所有测量仪器的核心竞争力。从上述的热电偶的测温原理可以看出,补偿电桥是保障热电偶测温准确的关键组成部分。补偿电桥设计的是否合理,将极大影响测温仪在不同环境温度下的测温精度。遗憾的是,目前应用最广的安捷伦数据采集仪/数据采集卡是美国制造。国产的具有类似功能的测量仪器,虽然价格有巨大优势,但由于众所周知的缺陷,几乎没有能够构成威胁的品牌。

 

       文章原文请参考热设计公众号文章:《热电效应的重要应用:热电偶测温仪》

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