[摘要] 本文介紹了熱電偶作為一種工業常用的測溫元件的測溫原理,及在使用中的補償方法和分類.對熱電偶的熱學定律、結構形式也作了相應的說明和分析。
[關鍵詞] 熱電偶 溫差電勢、 接觸電勢、補償
一、熱電偶傳感器
1. 熱電偶測溫原理
兩種不同材料的導體（或半導體）組成一個閉合回路，當兩接點溫度T和T0不同時，則在該回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應,該電動勢稱為熱電勢。這兩種不同材料的導體或半導體的組合稱為熱電偶，導體A、B稱為熱電極。兩個接點，一個稱熱端，又稱測量端或工作端，測溫時將它置于被測介質中;另一個稱冷端，又稱參考端或自由端，它通過導線與顯示儀表相連。
接觸電勢是由于兩種不同導體的自由電子密度不同而在接觸處形成的電動勢。兩種導體接觸時，自由電子由密度大的導體向密度小的導體擴散， 在接觸處失去電子一側帶正電，得到電子一側帶負電，擴散達到動平衡時，在接觸面的兩側就形成穩定的接觸電勢。接觸電勢的數值取決于兩種不同導體的性質和接觸點的溫度。兩接點的接觸電勢eAB（T）和eAB（T0）可表示為
式中： K——波爾茲曼常數； e——單位電荷電量； NAT、NBT和NAT0、NBT0——溫度分別為T和T0時，A、B兩種材料的電子密度。
溫差電勢是同一導體的兩端因其溫度不同而產生的一種電動勢。同一導體的兩端溫度不同時，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電nc.moc.enilnosmm.www，低溫端因獲得多余的電子而帶負電，因此，在導體兩端便形成接觸電勢，其大小由下面公式給出：
式中, NAt和NBt分別為A導體和B導體的電子密度，是溫度的函數。
熱電偶回路中產生的總熱電勢為
eAB（T, T0）=eAB（T）+eB（T,T0）-eAB（T0）-eA（T,T0）
在總熱電勢中，溫差電勢比接觸電勢小很多，可忽略不計， 則熱電偶的熱電勢可表示為 ：eAB（T,T0）=eAB（T）-eAB（T0）
對于已選定的熱電偶，當參考端溫度T0恒定時，eAB（T0）=c為常數，則總的熱電動勢就只與溫度T成單值函數關系，即 eAB（T,T0）=eAB（T）-c=f（T）
這一關系式在實際測量中是很有用的，即只要測出eAB（T， T0）的大小，就能得到被測溫度T，這就是利用熱電偶測溫的原理。
二、熱電偶基本定律
1、均質導體定律: 由兩種均質導體組成的熱電偶，其熱電動勢的大小只與兩材料及兩接點溫度有關，與熱電偶的大小尺寸、形狀及沿電極各處的溫度分布無關。即如材料不均勻，當導體上存在溫度梯度時，將會有附加電動勢產生。這條定理說明，熱電偶必須由兩種不同性質的均質材料構成。
2、中間導體定律：利用熱電偶進行測溫，必須在回路中引入連接導線和儀表，接入導線和儀表后會不會影響回路中的熱電勢呢？中間導體定律說明，在熱電偶測溫回路內，接入第三種導體時，只要第三種導體的兩端溫度相同，則對回路的總熱電勢沒有影響。
3、中間溫度定律：在熱電偶測溫回路中，tc為熱電極上某一點的溫度，熱電偶AB在接點溫度為t、t0時的熱電勢eAB（t, t0）等于熱電偶AB在接點溫度t、tc和tc、t0時的熱電勢eAB（t, tc）和eAB（tc, t0）的代數和，即 eAB（t,t0）=eAB（t,tc）+eAB（tc,t0
該定律是參考端溫度計算修正法的理論依據，在實際熱電偶測溫回路中, 利用熱電偶這一性質, 可對參考端溫度不為0℃的熱電勢進行修正。
三、熱電偶的結構形式
為了適應不同生產對象的測溫要求和條件，熱電偶的結構形式有普通型熱電偶、鎧裝型熱電偶和薄膜熱電偶等。
1、普通型熱電偶：普通型結構熱電偶工業上使用zui多，它一般由熱電極、絕緣套管、保護管和接線盒組成。普通型熱電偶按其安裝時的連接形式可分為固定螺紋連接、固定法蘭連接、活動法蘭連接、無固定裝置等多種形式。
2、鎧裝型熱電偶：鎧裝熱電偶又稱套管熱電偶。它是由熱電偶絲、絕緣材料和金屬套管三者經拉伸加工而成的堅實組合體，鎧裝熱電偶的主要優點是測溫端熱容量小，動態響應快IIAnews.com版權所有，機械強度高，撓性好，可安裝在結構復雜的裝置上，因此被廣泛用在許多工業部門中。
3、薄膜熱電偶：薄膜熱電偶是由兩種薄膜熱電極材料用真空蒸鍍、化學涂層等辦法蒸鍍到絕緣基板上而制成的一種特殊熱電偶，薄膜熱電偶的熱接點可以做得很小（可薄到0.01～0.1μm），具有熱容量小、反應速度快等特點，熱響應時間達到微秒級，適用于微小面積上的表面溫度以及快速變化的動態溫度測量。
四、熱電偶的補償導線及冷端溫度的補償方法
當熱電偶材料選定以后，熱電動勢只與熱端和冷端溫度有關。因此只有當冷端溫度恒定時，熱電偶的熱電勢和熱端溫度才有單值的函數關系。熱電偶的分度表是以冷端溫度0℃作為基準進行分度的，而在實際使用過程中，冷端溫度往往不為0℃，所以必須對冷端溫度進行處理，消除冷端溫度的影響。
那么熱端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB（t, 0）與熱電偶實際產生的熱電勢eAB（t,t0）之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：eAB（t,0）= eAB（t,t0）+eAB（t0，0）
由此可見，eAB（t0，0）是冷端溫度t0的函數，因此需要對熱電偶冷端溫度進行處理。
1、熱電偶補償導線 ： 在實際測溫時，需要把熱電偶輸出的電勢信號傳輸到遠離現場數十米遠的控制室里的顯示儀表或控制儀表，這樣, 冷端溫度t0比較穩定。熱電偶一般做得較短，一般為350～2000mm，需要用導線將熱電偶的冷端延伸出來。工程中采用一種補償導線，它通常由兩種不同性質的廉價金屬導線制成，而且在0～100℃溫度范圍內，要求補償導線和所配熱電偶具有相同的熱電特性。
2、冷端溫度修正法： 采用補償導線可使熱電偶的冷端延伸到溫度比較穩定的地方，但只要冷端溫度t0不等于0℃，需要對熱電偶回路的測量電勢值eAB（t，t0）加以修正。當工作端溫度為t時，分度表所對應的熱電勢eAB（t,0）與熱電偶實際產生的熱電勢eAB（t,t0）之間的關系可根據中間溫度定律得到下式：eAB（t,0）= eAB（t,t0）+eAB（t0，0）
由此可見，測量電勢值eAB（t, t0）的修正值為eAB（t0, 0）。eAB（t0，0）是參考端溫度t0的函數，經修正后的熱電勢為eAB（t，0）MMSonline.com.cn版權所有， 可由分度表中查出被測實際溫度值t。
例如，用鎳鉻-鎳硅熱電偶測量加熱爐溫度。已知冷端溫度t0=30℃，測得熱電勢eAB（t，t0）為33.29mV, 求加熱爐溫度。
解：查鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得eAB（30，0）1.203 mV。由式（15-13）可得 eAB（t，0）= eAB（t,t0）+eAB（t0,0）=33.29+1.203=34.493mV，由鎳鉻-鎳硅熱電偶分度表得t=829.5℃。
3、冷端0℃恒溫法 ： 在實驗室及精密測量中，通常把冷端放入0℃恒溫器或裝滿冰水混合物的容器中，以便冷端溫度保持0℃，這種方法又稱冰浴法。這是一種理想的補償方法，但工業中使用極為不便。
4、冷端溫度自動補償法（補償電橋法）： 補償電橋法是利用不平衡電橋產生的不平衡電壓Uab作為補償信號，來自動補償熱電偶測量過程中因冷端溫度不為0℃或變化而引起熱電勢的變化值。補償電橋由三個電阻溫度系數較小的錳銅絲繞制的電阻r1、r2、r3及電阻溫度系數較大的銅絲繞制的電阻rcu和穩壓電源組成。補償電橋與熱電偶冷端處在同一環境溫度，當冷端溫度變化引起的熱電勢eAB（t,t0）變化時，由于rcu的阻值隨冷端溫度變化而變化，適當選擇橋臂電阻和橋路電流，就可以使電橋產生的不平衡電壓Uab補償由于冷端溫度t0變化引起的熱電勢變化量，從而達到自動補償的目的。
