【高频磁场环境下热电偶测温误差分析2500字】

高频磁场环境下热电偶测温误差分析目录TOC\o"1-3"\h\u9349高频磁场环境下热电偶测温误差分析 1148041.1热电偶测温原理以及结构要求 134601.2涡流效应以及对热电偶测温的影响 3310551.3实验过程及测量结果 4236311.3.1频率对测温的影响 6285041.3.2实验结论 91.1热电偶测温原理以及结构要求热电偶，即温差式电偶，是\t"/item/%E7%83%AD%E7%94%B5%E5%81%B6/_blank"温度测量仪表中经常被使用的一种测温元件。由两种不同类型和材料的金属分别作为首尾交叉相连所接而成的一个闭合回路，当两个交叉相连之间的地方存在一定的温差时,这个闭合回路就会产生输出一定的电流,即产生了电动势。这个效应被我们统称为热电效应，这是我们如今使用这种热电偶进行测温的理论依据。图2-1热电偶基本原理实际上，热电效应主要有三种效应：塞贝克（Seebeck）效应、珀尔帖(Peltier)效应以及汤姆逊(Thomson)效应。1821年塞贝克在做实验时发现，两种不同材料的金属分别连接成的回路中，某一连接处因为焊接产生高温与另一连接处之间形成温差时，闭合回路中产生电动势并产生电流，此为塞贝克效应。塞贝克效应电势差的公式为：（2-1）1834年珀尔帖得知,当某个电流在不同的金属之间的连接部位上流动时,此连接部位就会有一定的放热或者是吸热现象。电动势做正功吸热做负功放热，因此若电流从结点A流向结点B，则结点A吸热，结点B放热，反之亦然。这被我们统称为珀尔帖效应,也可以把它看作是塞贝克效应的一种逆效应。珀尔帖热产生的热量公式为：（2-2）珀尔帖电动势的产生与不同的金属之间有着不同电子浓度及费米能量有着不可避免的关系，拥有不同电子浓度的金属相连接时势必发生电流扩散现象，电势差也就随之而来。珀尔帖的电势差可以表示为公式:（2-3）1856年汤姆逊使用自己的物理热力学基础知识全面地对塞贝克效应和珀尔帖效应关系进行了综合分析,得出了在绝对零度下,珀尔帖系数和塞贝克系数之间仅仅有着简单的倍数关系,由此将这两个本不相同的效应紧密地相互联系结合到了一起。在此理论基础上,他首先明确预言了汤姆逊效应,即当电流流过温度不均匀的导体时,导体除了产生焦耳热之外,还会根据电流方向吸收或放出热量。汤姆逊热的公式为:（2-4）

同样的，当金属导体两部分的温度不一样时，这两部分之间也会产生电势差。汤姆逊电势差的公式为：（2-5）热电偶的基本结构是两根材料不同的金属A、B组成的闭合回路，两个相连处分别做为测量端和参考端（通常将其称为热端和冷端）。并在合适的位置接入电位计，保证电位计与金属所连接的两处温度相同，就可以准确测量热电动势。一般接入位置如下：图2-2热电偶基本结构通常来说，若冷端温度设定为0℃，则可利用热电偶分度表直接通过热电动势去得知热端的温度值。但如果冷端温度不为零，则需要对热电动势进行修正[7][8]:（2-6）制作热电偶元件的材料主要是金属材料，包括纯金属和合金，纯金属有纯铜、铁等，金属则有铂铑、镍铬等。为了准确测量温度，热电偶本身性质必须稳定，且导热速度要快，因此制作热电偶的材料材料有着如下特点：物理化学性质足够稳定，电阻值不易受电流大小变化、导电率高、导热系数大、比热容小。在测量温度时，将热电偶的测量端与被测对象相接触，经过热传导后热电偶和被测对象的温度一致，此时被测对象的温度就得出来了。1.2涡流效应以及对热电偶测温的影响涡流现象，1851年由傅科发现。涡流要么是由于移动的磁场和金属导体相切割所直接产生,要么是由于移动的金属导体和磁场相切割所直接产生。简而言之当金属处于交变磁场中时,会产生感应电动势,涡流实际上也就是一个在金属导体内进行循环的电流,涡流的产生是因为电磁感应效应。涡流在导体内流动时，必然会产生涡流损耗，或者说热损耗。涡流损耗的近似计算公式为：（2-7）但对于高频磁场环境下的热电偶来说,由于其端部的体积很小,损耗的密度很大,因此在实际情况下热电偶端部的涡流损耗会更大,温度也会激增。基于此种假设,我们可以将热电偶的端部作为一个微型的圆柱半导体,如下图：图2-3热电偶端部与涡流方向根据电磁感应定律:（2-8）如若磁场随时间变化而做规律为正弦的变化，由式(1)可得:（2-9）（2-10）高频磁场中导体涡流损耗为（2-11）温升公式为：

（2-12）可以很明显看出，当频率达到高频磁场标准即100kHz～300MHz时，截面积很小的K型热电偶丝也将产生大量热量[9][10][11]。1.3实验过程及测量结果先使用maxwell仿真软件对空心螺线管进行仿真，查看其磁场分布：图2-4空心螺线管涡流场磁场强度仿真用塑料钉子将一个长30cm横截面宽1.65cm的圆柱形塑料管头尾固定住，在钉子上缠绕铜丝作为绕组，在塑料管侧面和正面插入两支笔芯以作固定。准备细、中、粗的三种热电偶，一共两组总共六个，将热电偶分别连至接感热仪器，插入笔芯，并保持正面的与侧面的热电偶处于塑料管的正中间。图2-5实验用空心螺线管实物将33522A函数信号发生器连至功率放大器再连接到空心螺线管上对其通上一定频率的交流电：图2-6实验配置并通过电压检测探头与电流检测探头连接至示波器观察输出电压的幅值：图2-7示波器1.3.1频率对测温的影响设置电压频率为50kHZ，调整电压和功放倍数，使电流达到500mA左右，待热电偶温度不再升高，先关闭信号发生器再关闭功率放大器并记录数据，如图：图2-8设置电压频率为100kHZ，调整电压和功放倍数，使电流达到500mA左右，待热电偶温度不再升高，先关闭信号发生器再关闭功率放大器并记录数据，如图：图2-9设置电压频率为150kHZ，调整电压和功放倍数，使电流达到500mA左右，待热电偶温度不再升高，先关闭信号发生器再关闭功率放大器并记录数据，如图：图2-10设置电压频率为250kHZ，调整电压和功放倍数，使电流达到500mA左右，待热电偶温度不再升高，先关闭信号发生器再关闭功率放大器并记录数据，如图：图2-11设置电压频率为500kHZ，调整电压和功放倍数，使电流达到500mA左右，待热电偶温度不再升高，先关闭信号发生器再关闭功率放大器并记录数据，如图：图2-12其中，CH1、CH2分别为正面插入的细热电偶和粗热电偶，CH3、CH4非别为侧面插入的细热电偶和粗热电偶。1.3.2实验结论通过实验并观察图表，我们可以得知频率与热电偶温升成正相关，磁场频率越高，热电偶的温升就越快且能达到更高的峰值。从侧面插入的热电偶因为其磁感应的