【高頻磁場環境下熱電偶測溫誤差分析2500字】

高頻磁場環境下熱電偶測溫誤差分析目錄TOC\o"1-3"\h\u9349高頻磁場環境下熱電偶測溫誤差分析 1148041.1熱電偶測溫原理以及結構要求 134601.2渦流效應以及對熱電偶測溫的影響 3310551.3實驗過程及測量結果 4236311.3.1頻率對測溫的影響 6285041.3.2實驗結論 91.1熱電偶測溫原理以及結構要求熱電偶，即溫差式電偶，是\t"/item/%E7%83%AD%E7%94%B5%E5%81%B6/_blank"溫度測量儀表中經常被使用的一種測溫元件。由兩種不同類型和材料的金屬分別作為首尾交叉相連所接而成的一個閉合回路，當兩個交叉相連之間的地方存在一定的溫差時,這個閉合回路就會產生輸出一定的電流,即產生了電動勢。這個效應被我們統稱為熱電效應，這是我們如今使用這種熱電偶進行測溫的理論依據。圖2-1熱電偶基本原理實際上，熱電效應主要有三種效應：塞貝克（Seebeck）效應、珀爾帖(Peltier)效應以及湯姆遜(Thomson)效應。1821年塞貝克在做實驗時發現，兩種不同材料的金屬分別連接成的回路中，某一連接處因為焊接產生高溫與另一連接處之間形成溫差時，閉合回路中產生電動勢并產生電流，此為塞貝克效應。塞貝克效應電勢差的公式為：（2-1）1834年珀爾帖得知,當某個電流在不同的金屬之間的連接部位上流動時,此連接部位就會有一定的放熱或者是吸熱現象。電動勢做正功吸熱做負功放熱，因此若電流從結點A流向結點B，則結點A吸熱，結點B放熱，反之亦然。這被我們統稱為珀爾帖效應,也可以把它看作是塞貝克效應的一種逆效應。珀爾帖熱產生的熱量公式為：（2-2）珀爾帖電動勢的產生與不同的金屬之間有著不同電子濃度及費米能量有著不可避免的關系，擁有不同電子濃度的金屬相連接時勢必發生電流擴散現象，電勢差也就隨之而來。珀爾帖的電勢差可以表示為公式:（2-3）1856年湯姆遜使用自己的物理熱力學基礎知識全面地對塞貝克效應和珀爾帖效應關系進行了綜合分析,得出了在絕對零度下,珀爾帖系數和塞貝克系數之間僅僅有著簡單的倍數關系,由此將這兩個本不相同的效應緊密地相互聯系結合到了一起。在此理論基礎上,他首先明確預言了湯姆遜效應,即當電流流過溫度不均勻的導體時,導體除了產生焦耳熱之外,還會根據電流方向吸收或放出熱量。湯姆遜熱的公式為:（2-4）

同樣的，當金屬導體兩部分的溫度不一樣時，這兩部分之間也會產生電勢差。湯姆遜電勢差的公式為：（2-5）熱電偶的基本結構是兩根材料不同的金屬A、B組成的閉合回路，兩個相連處分別做為測量端和參考端（通常將其稱為熱端和冷端）。并在合適的位置接入電位計，保證電位計與金屬所連接的兩處溫度相同，就可以準確測量熱電動勢。一般接入位置如下：圖2-2熱電偶基本結構通常來說，若冷端溫度設定為0℃，則可利用熱電偶分度表直接通過熱電動勢去得知熱端的溫度值。但如果冷端溫度不為零，則需要對熱電動勢進行修正[7][8]:（2-6）制作熱電偶元件的材料主要是金屬材料，包括純金屬和合金，純金屬有純銅、鐵等，金屬則有鉑銠、鎳鉻等。為了準確測量溫度，熱電偶本身性質必須穩定，且導熱速度要快，因此制作熱電偶的材料材料有著如下特點：物理化學性質足夠穩定，電阻值不易受電流大小變化、導電率高、導熱系數大、比熱容小。在測量溫度時，將熱電偶的測量端與被測對象相接觸，經過熱傳導后熱電偶和被測對象的溫度一致，此時被測對象的溫度就得出來了。1.2渦流效應以及對熱電偶測溫的影響渦流現象，1851年由傅科發現。渦流要么是由于移動的磁場和金屬導體相切割所直接產生,要么是由于移動的金屬導體和磁場相切割所直接產生。簡而言之當金屬處于交變磁場中時,會產生感應電動勢,渦流實際上也就是一個在金屬導體內進行循環的電流,渦流的產生是因為電磁感應效應。渦流在導體內流動時，必然會產生渦流損耗，或者說熱損耗。渦流損耗的近似計算公式為：（2-7）但對于高頻磁場環境下的熱電偶來說,由于其端部的體積很小,損耗的密度很大,因此在實際情況下熱電偶端部的渦流損耗會更大,溫度也會激增。基于此種假設,我們可以將熱電偶的端部作為一個微型的圓柱半導體,如下圖：圖2-3熱電偶端部與渦流方向根據電磁感應定律:（2-8）如若磁場隨時間變化而做規律為正弦的變化，由式(1)可得:（2-9）（2-10）高頻磁場中導體渦流損耗為（2-11）溫升公式為：

（2-12）可以很明顯看出，當頻率達到高頻磁場標準即100kHz～300MHz時，截面積很小的K型熱電偶絲也將產生大量熱量[9][10][11]。1.3實驗過程及測量結果先使用maxwell仿真軟件對空心螺線管進行仿真，查看其磁場分布：圖2-4空心螺線管渦流場磁場強度仿真用塑料釘子將一個長30cm橫截面寬1.65cm的圓柱形塑料管頭尾固定住，在釘子上纏繞銅絲作為繞組，在塑料管側面和正面插入兩支筆芯以作固定。準備細、中、粗的三種熱電偶，一共兩組總共六個，將熱電偶分別連至接感熱儀器，插入筆芯，并保持正面的與側面的熱電偶處于塑料管的正中間。圖2-5實驗用空心螺線管實物將33522A函數信號發生器連至功率放大器再連接到空心螺線管上對其通上一定頻率的交流電：圖2-6實驗配置并通過電壓檢測探頭與電流檢測探頭連接至示波器觀察輸出電壓的幅值：圖2-7示波器1.3.1頻率對測溫的影響設置電壓頻率為50kHZ，調整電壓和功放倍數，使電流達到500mA左右，待熱電偶溫度不再升高，先關閉信號發生器再關閉功率放大器并記錄數據，如圖：圖2-8設置電壓頻率為100kHZ，調整電壓和功放倍數，使電流達到500mA左右，待熱電偶溫度不再升高，先關閉信號發生器再關閉功率放大器并記錄數據，如圖：圖2-9設置電壓頻率為150kHZ，調整電壓和功放倍數，使電流達到500mA左右，待熱電偶溫度不再升高，先關閉信號發生器再關閉功率放大器并記錄數據，如圖：圖2-10設置電壓頻率為250kHZ，調整電壓和功放倍數，使電流達到500mA左右，待熱電偶溫度不再升高，先關閉信號發生器再關閉功率放大器并記錄數據，如圖：圖2-11設置電壓頻率為500kHZ，調整電壓和功放倍數，使電流達到500mA左右，待熱電偶溫度不再升高，先關閉信號發生器再關閉功率放大器并記錄數據，如圖：圖2-12其中，CH1、CH2分別為正面插入的細熱電偶和粗熱電偶，CH3、CH4非別為側面插入的細熱電偶和粗熱電偶。1.3.2實驗結論通過實驗并觀察圖表，我們可以得知頻率與熱電偶溫升成正相關，磁場頻率越高，熱電偶的溫升就越快且能達到更高的峰值。從側面插入的熱電偶因為其磁感應的