下面讲解基准目标标注的一般操作步骤。可得，热电偶的热电势等于两端温度分别为T和0℃以及T0和0℃的热电势之差。由此可以得出以下结论：①热电偶的回路总电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关，而与热电偶的长度、粗细无关。③只有当热电偶两端温度不同，热电偶的两导体材料不同时，才有热电势产生。如果使EAB＝常数，则回路热电势EAB就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。......
2023-06-24
热电偶传感器及测温系统原理解析
【摘要】：热电偶传感器是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。导体A或B称为热电偶的热电极或热电丝。图3-32所示为最简单的热电偶传感器测温系统示意图，图中有两个接点：一个称为热端，测温时放在被测介质（温度场）中；另一个称为冷端，通过导线与显示仪表或测量电路相连。
热电偶传感器（简称热电偶）是目前温度测量中使用最普遍的传感元件之一。它除具有结构简单，测量范围宽、准确度高、热惯性小，输出信号为电信号便于远传或信号转换等优点外，还能用来测量流体的温度、测量固体及固体壁面的温度。微型热电偶还可用于快速及动态温度的测量。
1.热电效应及热电偶的组成
两种不同材料的导体或半导体A和B组合成如图3-31所示的闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设T＞0T），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫作热电效应。相应的电动势称为热电动势（简称热电势）。导体（或半导体）A、B称为热电偶的电极。这种现象早在1821年首先由西拜克发现，所以又称为西拜克效应。
如图3-31所示的回路中，两种不同导体或半导体组成的闭合回路称为热电偶。导体A或B称为热电偶的热电极或热电丝。图3-32所示为最简单的热电偶传感器测温系统示意图，图中有两个接点：一个称为热端（测量端或工作端），测温时放在被测介质（温度场）中；另一个称为冷端（参考端或自由端），通过导线与显示仪表或测量电路相连。
图3-31 热电效应原理图
图3-32 热电偶测温系统简图
2.热电偶的测温原理
热电偶两端的热电势是由两种导体的接触电势和单一导体的温差电势所组成，如图3-33、3-34所示。
图3-33 接触电势
图3-34 温差电势
接触电势（帕尔贴电势）是由于两种不同导体（或半导体）的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。此电势与两种导体（或半导体）的性质以及接触点的温度有关。由于不同的金属材料所具有的自由电子密度不同，在接触面上就会发生电子扩散。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关。
温差电势（汤姆逊电势）是同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。同一导体的两端温度不同时，高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，因此，在导体两端便形成接触电势。
在总热电势中，温差电势比接触电势小很多，可忽略不计，热电偶的热电势可表示为
对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，EAB（T0）＝C为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即
3.热电偶基本定律
1）中间导体定律
将导体A和B构成热电偶，并将冷端T0断开，无论插入导体C的温度分布如何，只要中间导体两端温度相同，则对热电偶回路总电动势没有影响，这就是中间导体定律。
如图3-35所示，在热电偶测温回路内接入第三种导体，只要第三种导体的两端温度相同，则对回路的总热电势不会产生影响。利用这个原理，在回路中引入连接导线和仪表不会影响回路中的热电势。
图3-35 接入中间导体的热电偶回路
根据这个定律，我们可采取任何方式焊接导线，可以将热电势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。
2）中间温度定律
在热电偶测温回路中，Tn为热电极上某一点的温度，热电偶AB在接点温度为T、T0时的热电势EAB（T，T0）等于热电偶AB在接点温度为T、Tn和Tn、T0时的热电势EAB（T，Tn）和EAB（Tn，T0）的代数和，如图3-36所示，即
在实际热电偶测温回路中，利用热电偶这一性质，可对参考端温度不为0 °C的热电势进行修正；还可以连接与热电偶热电特性相近的导体A′和B′，将热电偶冷端延伸到温度恒定的地方，使热电偶回路中可以应用补偿导线。利用该定律，可对参考端温度不为0 °C的热电势进行修正。
图3-36 中间温度定律
3）标准电极定律
当温度为T、T0时，用导体A、B组成的热电偶的热电势等于AC热电偶和CB热电偶的热电势之代数和，即
导体C称为标准电极，故把这一定律称为标准电极定律。该定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关电极与参考电极配对的热电势，那么任何两种电极配对后的热电势均可计算。由于纯铂丝的物理化学性能稳定，熔点较高，易提纯，所以目前常用纯铂丝作为标准电极。
几个结论：① 热电偶必须采用两种不同材料作为电极，否则无论热电偶两端温度如何，热电偶回路总电势为零；② 尽管采用两种不同的金属，若热电偶两结点温度相等，回路总电势为零；③ 热电偶A、B的热电势只与结点温度有关，与材料A、B的中间各处温度无关。
4.热电偶的结构形式
普通型结构热电偶在工业上使用最多，其组成如图3-7所示。它的安装连接形式有固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等。
图3-37 普通型热电偶结构
铠装型热电偶（套管热电偶）结构如图3-38所示，其优点是测温端热容量小、动态响应快、机械强度高、挠性好，可装在结构复杂的装置上。
如图3-39所示，薄膜热电偶是由两种薄膜热电极材料用真空蒸镀、化学涂层等办法蒸镀到绝缘基板上而制成，其热接点可以很小，且热容量小、反应速度快、热响应时间达到微秒级，适于微小面积的表面温度及快速变化的动态温度的测量。
图3-38 铠装型热电偶
图3-39 薄膜热电偶
5.热电偶的补偿导线及冷端温度的补偿方法
当热电偶材料选定、冷端温度恒定时，热电偶的热电势和热端温度是单值函数。热电偶的分度表是以冷端温度为0 °C作为基准进行分度的，但实际使用中，冷端温度往往不为0 °C，也不稳定，因此，必须对冷端进行处理，常采用以下方法。
1）冷端0 °C恒温法
冷端恒温法就是将热电偶的冷端置于某一温度恒定不变的装置中。热电偶的分度表（见表3-1）是以0 °C为标准的。所以在实验室及精密测量中，通常把冷端放入0 °C恒温器或装满冰水混合物的容器中，以便冷端温度保持0 °C，这种方法又称为冰浴法。
表3-1 镍铬-镍硅热电偶（K型）分度表 （冷端温度为0 °C）
2）补偿导线法
在实际测温时，需要把热电偶输出的热电势信号传输到远离现场数十米远的控制室里的显示仪表或控制仪表，这样冷端温度T0比较稳定。热电偶一般做得较短，通常为350～2 000 mm，需要用导线将热电偶的冷端延伸出来。工程中采用一种补偿导线，它通常由两种不同性质的廉价金属导线制成，而且在0～100 °C温度范围内要求补偿导线和所配热电偶具有相同的热电特性，两个连接点温度必须相等，正负极性不能接反。
3）补偿电桥法（冷端温度自动补偿法）
补偿电桥法是利用不平衡电桥产生的不平衡电压Uab来补偿热电偶因冷端温度不为0 °C或发生变化而引起热电势的变化值。
如图3-40所示的补偿电桥由三个锰铜丝绕制的电阻R1、R2、R3及铜丝绕制的电阻RCu和稳压电源组成。补偿电桥与热电偶冷端处在同一环境温度，当冷端温度变化引起的热电势EAB（t，t0）变化时，由于RCu的阻值随冷端温度变化而变化，适当选择桥臂电阻和桥路电流，就可以使电桥产生的不平衡电压Uab补偿由于冷端温度t0变化引起的热电势变化量，从而达到自动补偿的目的。
图3-40 补偿电桥的工作原理图
4）冷端温度修正法
采用补偿导线可使热电偶的冷端延伸到温度比较稳定的地方，但只要冷端温度T0不等于0 °C，就需要对热电偶回路的测量电势值EAB（T，T0）加以修正。当工作端温度为T时，分度表所对应的热电势EAB（T，0）与热电偶实际产生的热电势EAB（T，T0）之间的关系可根据中间温度定律得到：
由此可见，测量电势值EAB（T，T0）的修正值为EAB（T0，0）。EAB（T0，0）是参考端温度T0的函数，经修正后的热电势为EAB（T，0），可由分度表中查出被测实际温度值T。
6.热电偶测温线路
测量两点之间温差的测温线路如图3-41所示，有
测量平均温度的方法通常用几只相同型号的热电偶并联在一起，如图3-42所示，其回路的平均温度为
图3-41 测量两点之间温差的测温线路
图3-42 测量平均温度的测温线路
测量几点温度之和的测温线路如图3-43所示，其输出热电动势为
若干只热电偶共用一台仪表的测量线路如图3-44所示，各只热电偶的型号相同，测量范围均在显示仪表的量程内。
图3-43 测量几个点温度之和的测温线路
图3-44 若干只热电偶共用一台仪表的测量线路
在现场，如大量测量点不需要连续测量，而只需要定时检测时，就可以把若干只热电偶通过手动或自动切换开关接至一台测量仪表上，轮流或按要求显示各测量点的被测数值。切换开关的触点有十几对到数百对，这样可以大量节省显示仪表数目，也可以减小仪表箱的尺寸，达到多点温度自动检测的目的。常用的切换开关有密封微型精密继电器和电子模拟式开关两类。
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