热电偶温度计

1、热电偶测温的基本原理

在两种不同的导体或半导体A 和B 组成的闭合回路中，如果它们的两个接点的温度不同，则在回路中会产生电流，如图1所示。这时回路中存在一个电动势，称其为热电动势，也常被称为塞贝克电动势或塞贝克效应。热电动势由接触电动势和温差电动势组成。

图1 塞贝克效应示意图

1）接触电动势

接触电动势是在两种不同的导体A 和B 接触处产生的一种热电势。由于A、B两种不同导体含有不同的电子密度N_A、N_B，当它们接触时，接触处就会发生自由电子的扩散。假设N_A>N_B，则在单位时间内，由导体A 扩散到导体B的电子数比导体B扩散到导体A的多，导体A失去电子带正电，导体B得到电子带负电；因此，在A 、B 导体的接触面上便形成从A到B的静电场，如图2所示。这个静电场会阻碍电子扩散作用的继续进行，在某一温度下，自由电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡，此时在接触处形成的电动势称为接触电势。

图2 接触电势原理图

2）温差电动势

温差电动势是在同一根导体中因两端的温度不同而产生的热电动势。若导体两端A、B的温度分别为T和T₀，且T>T₀，自由电子会从高温端扩散到低温端，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因得到电子而带负电；因此，在同一导体的两端便产生电位差。这个电位差将阻止电子从高温端向低温端继续扩散，最后达到相对的动态平衡状态，即从高温端扩散到低温端的电子数等于从低温端扩散到高温端的电子数。此时，在导体的两端便产生一个电位差，这个电位差被称作温差电势，如图3所示。

图3 温差电势原理图

关于热电偶闭合回路的热电动势，有以下几个结论：

a. 热电偶回路热电势的大小只与组成热电偶的材料及两端温度有关，它与热电偶的长度、粗细无关；

b. 只有用不同性质的导体或半导体才能组合成热电偶；

c. 只有当热电偶两端温度不同时才能有热电势产生；

d. 当热电偶材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。这也是热电偶测温应用的原理。

各种热电偶温度与热电势的函数关系可以用函数形式也可以用列表格的形式表示。通常把温度较高的一端叫热端或工作端，温度低的一端叫冷端或自由端。

2、热电偶基本定律

1）均值导体定律

均质导体定律是指：由一种均质导体(电子密度处处相同)组成的闭合回路，无论导体的长度和截面积如何，以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。反之，如有热电势产生，则此材料一定是非均质的。实际生产中，可以利用该定律检验热电偶材料是否均质。

2）中间导体定律

在热电偶回路中接入第三种导体，只要与第三种导体相连接的两端温度相同，接入第三种导体后，对热电偶回路中的总电势没有影响。该定律为电位差计等测量仪表接入热电偶回路中提供了理论依据。

3）中间温度定律

热电偶AB在接点温度T、T₀时的热电势E_AB (T , T₀ )等于热电偶AB在接点温度T、T_N和T_N、T₀时的热电势E_AB (T , T_N )和E_AB(T_N , T₀ )的代数和。该定律为补偿导线（补偿导线是指在一定的温度范围内和所连接的热电偶具有相同热电特性的连接导线）的应用提供了理论依据；补偿导线的应用不仅可使热电偶的冷端远离热端而不影响热电偶的测量精确度，同时节省了贵重金属。

图4 补偿导线在测量回路中的连接
AB为热电偶，A’B’为补偿导线，T_n为热电偶原始冷端温度，T₀为补偿后的冷端温度

3、热电偶的分类

根据热电偶的材质和结构不同，可分为标准化热电偶和非标准化热电偶。

1）标准化热电偶

标准化热电偶是指生产工艺成熟、能成批生产、性能稳定、应用广泛、具有统一分度表，并已列入国际专业标准中的热电偶。目前国际标准化热电偶共有8种，分别为：铂铑10-铂热电偶（S型）、铂铑13-铂热电偶（R型）、铂铑30-铂铑6热电偶（B型）、镍铬-镍铝（硅）热电偶（K型）、镍铬-康铜热电偶（E型）、铁-康铜热电偶（J型）、铜-康铜热电偶（T型）、镍铬硅-镍硅热电偶（N型），这8类热电偶的具体情况如表1所示。

表1 标准化热电偶

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