铜―康铜热电偶电动势随时间变化规律研究

[摘要] 通过在理论上进行分析推导和具体的实验研究,证明在一定范围内,铜-康铜热电偶产生的电动势与加热时间存在线性关系。并提出了铜-康铜热电偶的这种线性关系在当今科技领域的一些具体应用。

[关键词] 铜-康铜热电偶 电动势 时间 线性关系

一、铜-康铜热电偶产生电动势的原理

1.塞贝克电动势

如图1所示,将铜与康铜两种不同的导体两端连接,组成一个闭合回路,当两个接头处具有不同的温度T和T0时,回路中便产生电流,这种电流称为温差电流,这个环路便构成铜-康铜热电偶,产生的电动势称为温差电动势,亦称为塞贝克电动势,其数值一般只与两个接头的温度有关。

图1 铜-康铜热电偶原理图

2.接触电势

在图1所示回路中,产生的电动势除了有温差电动势的贡献外,还有接触电势。由于不同导体的自由电子密度是不同的,当两个不同导体――铜和康铜连接在一起时,在铜与康铜接触处就会因电子密度差而引起电子的扩散。由于铜的自由电子密度大于康铜的自由电子密度,在单位时间内,由铜扩散到康铜的电子数要大于康铜扩散到铜的电子数,这时,铜因失去电子带正电,康铜因得到电子带负电,于是在接触面形成一个电场,这个电场将阻碍电子由铜向康铜进一步扩散。当电子的扩散作用与阻碍扩散的作用相等时,接触处的自由电子的扩散达到动态平衡,电场达到稳定状态,于是在铜与康铜接触处形成一个电势差,随着温度的变化,电势差将发生相应的变化。

3.铜-康铜热电偶接入测量仪表

铜-康铜热电偶的两个接点,一个为工作端或热端(T),测量时置于被测温度场中,另一端称为自由端或冷端(T0)要求恒定于某一温度,在实际测量中,铜-康铜热电偶还要接入测量仪表,这相当于在回路中引入第三导体,理论研究证明,当引入的第三导体两端温度(T1)相等时,铜-康铜热电偶所产生的电动势不会受到影响。

二、铜-康铜热电偶产生电动势随时间变化研究

通过以上分析我们可以得出,若分别用eAB(T)和eAB(T0)表示为铜、康铜接触处在温度为T和T0时形成的电势差,根据理论推导有:

式中K0为波尔兹曼常数,T、T0为接触处的绝对温度(单位K),NA、NB为铜-康铜的自由电子密度,q为电荷量,铜为正极,康铜为负极,则总电动势为:

EAB(T、T0)=eAB(T)-eAB(T0)

由于铜-康铜热电偶所产生的电动势与温度具有良好的线性,上式可表示为:

EAB(T、T0)=KT-KT0

其中K为一固定的比例系数,当冷端温度T0为室温不变时,EAB(T、T0)就成为T的单值函数,若加热时间为t,加热器额定功率为P,铜-康铜热电偶的比热为C,则应有:T-T0=Pt/C

EAB(T、T0)=KPt/C

即:在一定范围内,铜-康铜热电偶产生的电动势随时间呈线性关系。

图2 铜-康铜热电偶产生的电动势随时间的变化

表1是利用大学物理实验室配备的CSY10A系列传感器系统实验仪上的铜-康铜热电偶在加热过程的开始2分钟范围内,每隔6秒所记录的电动势数据(差动放大器增益为100倍,室温为19℃)。根据此表,描绘出了电动势随时间的变化的曲线,如图2所示,从中可以看出,实验数据与理论推导结果能很好的吻合。

表1 铜-康铜热电偶产生的电动势随时间变化数据

三、应用领域的探讨

由于铜-康铜热电偶具有良好的线性关系,所以对于额定功率的加热器来说,在一定范围内,其所产生的电动势随时间呈线性变化,这种关系可以在科学技术诸多领域得到推广应用。

近期在哥本哈根召开的气候变化大会,对CO2等温室气体的减排检测提到了重要议程.通常应用化学试剂检测方案费时较长,操作不便,得不到有效推广。这里我们可以利用铜-康铜热电偶传感器进行检测,将热电偶的热端放在产生气体的排放口处,因为排放的气体一般会带出一部分热量,而热电偶有线性好,热灵敏度高的优点。我们可以检测通过排放口的气体所传递的热量使热电偶产生电动势的值,再代入热传递效率,气体温度,气体中温室气体含量,气体单位时间排放量等常数值,就可以利用线性关系计算出排放时间,从而计算出排放的温室气体含量。

在航空航天领域,铜-康铜热电偶也可以得到有效应用。航空发动机及火箭推进器的喷口处喷射的高温火焰使喷口温度急剧上升,随着速度的提高,航天器表面温度也会持续上升,我们可以利用热电偶对该处温度进行实时监测,应用线性关系计算出到达预警温度所剩余的时间,并及时传回地面,提醒地面操作人员采取相应的措施,或传达到智能控制系统,使其自动对温度进行调控,从而有效防止航天事故的发生。

在战斗机作战领域,我们可以应用铜-康铜热电偶对受到攻击而起火的战斗机进行温度监测,可以计算出距离战斗机失控爆炸的临界温度剩余的时间,从而提醒飞行员利用剩余时间采取迫降或弃机逃生。

随着加热时间的增加,当被测物体接近稳定温度时,铜-康铜热电偶所产生的电动势不再随时间呈线性变化,具体的函数关系,有待我们进一步研究探讨。

参考文献:

[1]王斌科,付振堂.大学物理实验[M].西安:西北大学出版社,2009.

[2]CSY系列传感器系统实验仪实验指导书[M].浙江大学仪器系.

[3]彭军.传感器与检测技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.

[4]石文星,陆佩强.一种新的铜-康铜热电偶制作方法[J].天津商学院学报,1996,(01).

[5]鲁墨森,刘晓辉,张鹏.铜-康铜热电偶测温技术在果树研究中的应用[J].落叶果树,2009,(04).