热电偶：广泛应用的无源测温元件

在温度测量中，热电偶是目前应用最广泛的测温元件之一。热电偶是一种无源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便。它具有结构简单、制造方便、测量范围广、准确度高、性能稳定、动态特性好和输出电信号便于处理和远距离传送等许多优点，在温度测量中占有重要的地位。其测温范围较宽，可以在1K至2800℃的范围内使用。

1.热电偶测温原理

1821年，德国物理学家塞贝克发现和证明了两种不同材料的金属导体A和B组成闭合回路，当两个接触点的温度不同时，回路中将产生电动势。这种现象称为热电效应，又称塞贝克效应。热电偶正是基于热电效应工作的，如图3-4所示。其中，两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”；组成热电偶的导体A和B称为“热电极”；置于温度T的被测对象中的接触点称为测量端、工作端或热端；置于参考端温度为T₀的接触点称为参考端、自由端或冷端；热电动势E_AB（T，T₀）大小由接触电动势和温差电动势所决定。

图3-4 热电偶原理图

（1）接触电动势（帕尔帖电动势）

不同的金属，其内部自由电子密度不同，当A、B两种金属接触在一起时，在接触点处就要发生电子扩散，即电子浓度大的金属中的自由电子就向电子浓度小的金属中扩散，这样电子浓度大的金属因失去电子而带正电，相反，电子浓度小的金属由于接收到了扩散来的多余电子而带负电。这时在接触面两侧的一定范围内形成一个电场，电场的方向由A指向B，如图3-5所示，该电场将阻碍电子的进一步扩散。最后达到了动态平衡状态，从而得到一个稳定的接触电动势。其大小可用下式表示：

式中，e_AB（T）为导体A和B在温度为T时的接触电动势，A和B的顺序代表电动势的方向；k为玻尔兹曼常数；T为接触处的绝对温度；e为单位电荷的电量；N_A、N_B：为金属A和B的自由电子密度。

（2）温差电动势（汤姆逊电动势）

在同一导体中，当导体两端的温度不同（即T＞T₀）时，两端电子能量就不同。温度高的一端电子能量大，则电子从高温端跑向低温端的数量多，而返回的数量少，最后达到平衡。这样在导体A的两端形成一定的电位差即温差电动势，如图3-6所示。其大小可用下式表示：

式中，e_A（T，T₀）为导体A在两端温差分别为T和T₀时的温差电动势，T和T₀的顺序代表电动势的方向；δ为汤姆逊系数，它表示温差为1℃时所产生的电动势值，它与导体材料的性质有关。

图3-5 接触电势原理图

图3-6 温差电动势原理图

（3）热电偶回路的总电动势

在两种金属导体A和B组成的热电偶回路中，两接触点的温度分别为T和T₀，而且T=T₀，导体A的自由电子密度比导体B大，则回路总热电动势由四个部分组成，两个温差电动势，即e_A（T，T₀）和e_B（T，T₀），两个接触电动势即e_AB（T）和e_AB（T₀）。它们的方向和大小如图3-7所示。

图3-7 热电偶回路电动势分布

按顺时针方向写出四个电动势之和为

从式（3-5）中可以看到，若热电极A和B为同一种材料时，N_A=N_B，δ_A=δ_B，则E_AB（T，T₀）=0。若热电偶两端处于同一温度下，T=T₀，则E_AB（T，T₀）=0。因此热电动势存在必须具备两个条件即两种不同的金属组成热电偶，它的两端存在温差。

再对式（3-6）进行重新组合，则有

从式(3-6)中可以看到，热电动势是T和T₀的温度函数的差，而不是温差的函数，这是因为热电动势是非线性的。如果令f（T₀）=0即T₀=0℃，则有

E_AB（T，T₀）=f（T） （3-7）

则E与T之间有唯一对应的关系即单值函数关系，因此就可以用测量到的热电动势E来找到对应的温度值T。这就是利用热电现象测温的基本原理。

另外理论和实验都已证明，热电偶热电动势的大小，只与导体A和B的材质有关，与冷、热端的温度有关，而与导体的粗细、长短以及两导体接触面积无关。

2.热电偶回路的基本定律

（1）均质导体定则

由一种均质导体所组成的闭合回路，不论导体的截面积如何及导体各处温度分布如何，都不能产生热电动势。

这一定则说明，热电偶必须采用两种不同材质的导体构成。如果热电偶是由两种均质导体组成，则热电偶的热电动势仅与两接触点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关。如果热电偶的热电极是非均质导体，在不均匀温度场中测温时将造成测量误差。所以热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术指标之一。因此在热电偶的检定实验中要检查两种导体材质是否相同，也要检查热电极材料的均匀性，以便判断热电偶是否合格。

（2）中间导体定则

在热电偶回路中接入中间导体，只要中间导体两端温度相等，则中间导体的接入对回路总电动势没有影响。

如图3-8a、b所示，在电极为A、B的热电偶回路中接入第三种导体C，只要保持C两端的温度相等，则回路总电动势仍为E_AB（T，T₀）不变，与C的接入无关。这一点对于热电偶的实际应用十分重要，因为要测量回路的热电动势，就需要接入测量仪表，那么仪表中肯定有导线等其他第三种导体C，甚至还有第四种导体D，如图3-8c所示。但第三种、第四种导体接入端两点温度一般是相同的，因此仪表的接入不会引起回路热电动势的变化。

图3-8 热电偶回路中接入中间导体

同时利用这个定则可以使用开路热电偶测量液态金属和金属壁面的温度。

应注意的是在热电偶回路A、B中接入第三种导体C时，若接入的两点温度不相等，则会产生误差。对于图3-8a而言，误差等于AC或BC（取决于两接触点哪一个温度高）两种导体在AC和BC两接触点温差作用下所产生的热电动势。对于图3-8b来说，误差等于AC两种导体在两接触点温差作用下所产生的热电动势。因此可知，第三种导体不宜采用与热电极热电特性相差很远的导体，否则两接入端温度差的微小变化就会引入较大的误差。

（3）连接导体和中间温度定则

如图3-9所示。在热电偶回路中，如果热电极A和B分别与连接导体A′和B′相接，其接触点温度分别为T、T_n和T₀，则回路的总热电动势等于热电偶的热电动势E_AB（T，T_n）与连接导体的热电动势E_A′B′（T_n，T₀）之代数和，这就是连接导体定则，即

连接导体定则为在工业测温中使用补偿导线提供了理论基础。这样只要选配在低温下（100℃以下）与热电偶热电特性相同的补偿导线，便可使热电偶的参比端延长，使之远离热源到达一个温度相对稳定的地方而不会影响测温的准确性。

图3-9 采用连接导体的热电偶回路

当A与A′、B与B′材料分别相同，所处温度仍为T、T_n和T₀时，其总的热电动势为

这就是中间温度定则，其中T_n称为中间温度。由于热电偶分度表表达的是在参比端为0℃时，热端温度与热电动势之间的对应关系，并以表格的方式加以表示。所以中间温度定则为使用分度表奠定了理论基础。根据这一定则，当热电偶冷端不等于0℃时，也可使用分度表。

【例3-1】 用镍铬-镍硅（K）热电偶测量温度，已知冷端温度为40℃，用高准确度毫伏表测得这时的热电动势为29.518mV，求被测点的温度。

解：由镍铬-镍硅热电偶分度表查出E（40，0）=1.612mV，根据式（3-9）计算出

E（t，0）=（29.188+1.638）mV=30.826mV

再通过分度表查出其对应的实际温度为

E（T，0）=20.54mV+1.00mV=21.54mV

3.热电偶材料、种类及结构型式

（1）热电偶材料

根据热电效应，只要是两种不同性质的任何导体都可配制成热电偶。但在实际情况下，并不是所有材料都可成为有实用价值的热电极材料，因为还要考虑到灵敏度、准确度、可靠性、稳定性等条件，故作为热电极的材料，一般应满足如下要求：

1）在同样的温差下产生的热电动势大，且其热电动势与温度之间呈线性或近似线性的单值函数关系。

2）耐高温、抗辐射性能好，在较宽的温度范围内其化学、物理性能稳定。

3）电导率高、电阻温度系数和比热容小。

4）复制性和工艺性好，价格低廉。

（2）热电偶种类(www.xing528.com)

热电偶的种类很多，各种分类方法也不尽相同。按照工业标准化的要求，可以分为标准化热电偶和非标准化热电偶两种。所谓标准化热电偶是指工艺成熟、能够批量生产、性能稳定、应用广泛、具有统一分度表并已列入国家标准的热电偶。标准化热电偶准确度较高、互换性好，并有配套的显示、记录仪表可供选用，为应用提供了极大的方便。这里主要介绍一下标准热电偶。

目前，国际电工委员会（IEC）共推荐了八种标准化热电偶，它们的型号和热电极用英文字母表示，第一个字母表示热电偶的类型，也称为分度号；第二个字母为P或N，分别表示热电偶的正极或负极。我国目前完全采用国际标准并制定了我国的热电偶系列型谱。标准化热电偶的名称、分度号、测量范围、准确度等级及允许偏差见表3-3所示。几种典型标准热电偶的分度表见附录。

表3-3 标准化热电偶技术数据

（续）

1）S型热电偶（铂铑₁₀-铂热电偶）。S型热电偶属于贵金属热电偶，其正极（SP）的化学成分为铂铑合金，其中含铂90%，含铑10%，负极（SN）为纯铂。该型热电偶长期测温时最高使用温度为1300℃，短期使用温度为1600℃。S型热电偶具有准确度高、稳定性好、测温区宽和使用寿命长等优点。它的物理化学性能良好，在高温下抗氧化性好，适用于氧化性和惰性气体中，使用比较广泛。其不足之处是热电动势小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染敏感，而且材料昂贵，一次性投资大。

2）B型热电偶（铂铑₃₀-铂₆热电偶）。B型热电偶也属于贵金属热电偶。其正极（BP）和负极（BN）均为铂铑合金，只是含量不同，故又称为双铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。B型热电偶具有准确度高、稳定性好、测温范围宽、使用寿命长等优点，适用于氧化性和惰性气体中，也可以短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气的气氛中。它还有一个明显的优点是参考端不需要进行冷端补偿，因为在0～50℃的范围内热电动势小于3μV。B型热电偶的不足之处是热电动势较小、灵敏度低、高温下机械强度下降、抗污染能力差、材料昂贵、一次性投资大等。

3）K型热电偶（镍铬-镍硅热电偶）。K型热电偶是目前使用最多的廉金属热电偶。其正极（KP）为镍铬合金，负极（KN）为镍硅合金，使用温度为-200～1300℃。K型热电偶输出热电动势线性好、热电动势大、灵敏度较高、稳定性和复现性均比较好、抗氧化性强、价格便宜。能够使用于氧化性和惰性气体中，但在高温下不能直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。

4）N型热电偶 镍铬硅-镍硅热电偶为廉金属热电偶，它是一种最新国际标准化的热电。正极（NP）的名义化学成分的比例为：Ni∶Cr∶Si=84.4∶14.2∶1.4，负极（NN）的名义化学成分比例为：Ni∶Si∶Mg=95.5∶4.4∶0.1。其使用温度范围为-200～1300℃。N型热电偶具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高、稳定性和复现性好、抗氧化性强、价格便宜等优点，其综合性能优于K型热电偶，具有很大的发展前途。它的缺点是在高温下不能直接用于硫、还原性或还原、氧化交替的气氛中，也不能用于真空中。

5）E型热电偶（镍铬-康铜热电偶）。E型热电偶也是一种廉价金属热电偶。其正极（EP）为镍铬合金，负极（EN）为铜镍合金。该型热电偶的使用温度范围为-200～900℃。E型热电偶最大的优点是热电动势大，其灵敏度是所有热电偶中最高的。所以易制成热电堆来测量微小的温度变化。E型热电偶可用于湿度较大的环境中，具有稳定性好、抗氧化能力强、价格便宜等优点。但不能在高温下用于硫或还原性环境中。

6）T型热电偶（铜-康铜热电偶）。T型热电偶是一种最佳的测量低温的廉价金属热电偶。其正极（TP）为纯铜，负极（TN）为康铜，但与EN能够通用，而与JN不能够通用。T型热电偶的测温区间为-200～350℃。它的线性度好、热电动势较大、灵敏度高、稳定性和复现性好、价格便宜。特别是在-200～0℃区间使用时长期稳定性较好，年热电动势漂移小于3μV。但T型热电偶的正极铜在高温下抗氧化能力差，故使用上限受到限制。

7）J型热电偶（铁-康铜热电偶）。J型热电偶是一种价格低廉的热电偶。其正极（JP）为铁，负极（JN）为康铜合金，但与EN和TN的成分均有不同，不能用EN或TN来代替。J型热电偶的测温范围为-210～1200℃，但通常使用的温度一般为0～750℃。J型热电偶线性度好、热电动势大、灵敏度高、稳定性和复现性都较好，价格便宜，已得到了广泛的应用。它可用于真空、氧化、还原和惰性气体中，但正极铁在高温下氧化较快，故测温上限受到限制。

另外需要说明的是，在IEC公布的标准热电偶中，还有一种分度号为R的热电偶，其温度范围与S型热电偶重合，故我国没有采用。但国外的有关研究表明，R型热电偶在稳定性和复现性方面均好于S型热电偶。

（3）热电偶的结构型式

为保证热电偶正常工作，热电偶的两电极之间以及与保护套之间都需要良好的绝缘，而且耐高温、耐腐蚀和冲击的保护套管也是必不可少的。热电偶结构型式很多，按热电偶结构划分有普通热电偶、铠装热电偶、薄膜热电偶、表面热电偶、浸入式热电偶。工业热电偶的典型结构有普通型装配式结构和柔性安装型铠装结构两种。

1）普通型装配式热电偶。

一般由热电极、绝缘套管、保护套管和接线盒组成，如图3-10所示。贵金属热电极直径不大于0.5mm，廉金属热电极直径一般为0.5～3.2mm。绝缘套管一般为单孔或双孔瓷管。外保护套管要求气密性好，有足够的机械强度，还要求导热性好和稳定的物理化学特性，最常用的材料为铜及铜合金、钢和不锈钢以及陶瓷材料等。整支热电偶的长度由安装条件和插入深度决定，一般为350～2000mm。主要用于气体、蒸汽、液体等介质的测温。

图3-10 普通型装配式热电偶结构示意图

1—接线柱 2—接线座 3—绝缘套管 4—热电极 5—测量端 6—热电极 7—绝缘套管 8—保护管 9—接线盒

2）铠装热电偶。

铠装热电偶是将热电极、绝缘材料和保护套管（不锈钢保护管）一起拉制后加工而成的缆状结构。绝缘材料为氧化镁，保护套管通常为不锈钢。根据被测介质的温度高低、化学性质以及变化速度，其测量端有露端型、接壳型、绝缘型、圆变截面型和扁变截面型五种，根据测量端结构形式，可分为碰底型、不碰底型，裸露型、帽型等，可根据需要选用。其结构如图3-11所示。

图3-11 柔性安装型铠装热电偶结构示意图

铠装型热电偶具有寿命长、外径细、响应快、机械性能好，可进行一定程度的弯曲；耐热、耐压高、耐冲击性强、可挠性等优点，得到了广泛的应用。

4.热电偶的冷端处理与补偿

热电偶的输出信号是与温度直接对应的电压信号，所以使用非常简单，只需选择配套的仪表即可。从热电效应原理可知，其热电动势与两端温度均有关，而分度表是在冷端温度为0℃的条件下给出的。但在实际使用时，冷端常常靠近被测物，且受环境温度的影响，其温度无法保持0℃，这样就产生了测量误差。所以必须采取相应的措施来进行补偿或修正，常用的方法有补偿导线法、冷端恒温法、计算法、仪表机械零点调整法、补偿电桥法、软件修正法等。

（1）补偿导线法

热电偶补偿导线通常由补偿导线合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层组成。在100℃（或200℃）以下的常温范围内，补偿导线具有与所匹配的热电偶的热电动势标称值相同的特性。用它连接热电偶可起到延长热电偶冷端的作用。其原理图如图3-12所示。

图3-12 补偿导线原理图

热电偶补偿导线有以下两方面的优点：

1）改善了热电偶测温线路的物理性能和机械性能。采用多股线芯或小线径补偿导线可提高线路的挠性，接线方便，也可调节线路电阻和屏蔽外界的干扰；

2）降低了线路的成本。当热电偶与测量仪表距离较远时，使用补偿导线可节约热电偶材料，尤其对于贵金属热电偶来说，经济效益更是明显。

补偿导线又分为延长型和补偿型两种。对延长型来讲，补偿导线合金丝的名义化学成分及热电动势标称值与配用的热电偶相同，用字母“X”附在热电偶分度号后表示，例如“KX”表示与K型热电偶配用的延长型补偿导线。对补偿型来讲，其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同，但其热电动势值在100℃以下时与配用的热电偶的热电动势标称值相同，用字母“C”附在热电偶分度号后表示，例如“KC”就是与K型热电偶配用的补偿型补偿导线。不同成分的合金丝可以作为同一型号热电偶的补偿导线，则用第3个附加字母加以区别，例如KCA、KCB。我国生产的常用热电偶补偿导线的型号、线芯材质、绝缘层着色见表3-4所示。

表3-4 常用补偿导线的型号\线芯材质\绝缘层着色

此外，在使用补偿导线时的应注意以下几方面：

1）各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用，而且必须在规定的温度范围内使用。

2）注意极性不能接反，否则会造成更大的误差。

3）补偿导线与热电偶连接的两个接触点的温度必须相同。

（2）冷端恒温法（冰点槽法）

冷端恒温法是将热电偶冷端置于0℃的恒温下，则此时输出的热电动势与分度表一致。具体方法为将热电偶冷端置于冰水混合物中或冰点槽中以保持温度恒定于0℃。如图3-13所示。这种方法使用效果最好，但比较复杂，一般适用于实验室中的精密测量和检定热电偶时使用。

图3-13 冷端恒温法（冰点槽法）

（3）计算法

在实际的应用中，热电偶的参比端往往不是0℃，而是环境温度t₁，这时测量出的回路热电动势要小，因此必须加上环境温度t₁与冰点t₀之间温差所产生的热电动势后才能符合热电偶分度表的要求。根据连接导体和中间温度定，则有

可用室温计测出环境温度t₁，从分度表中查出E_AB（t₁，0）的值，然后加上热电偶回路热电动势E_AB（t，t₁），得到E_AB（t，t₁，0）值，反查分度表即可得到准确的被测温度t值。

（4）仪表机械零点调整法

若冷端温度恒定，则可用螺钉旋具调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t₀（如若温度恒定为30℃）的刻度上，以补偿冷端损失，如图3-14所示。

（5）冷端补偿器法

计算修正法虽然精确，但不适合连续测温。所以在一般数字仪表里长利用程序实现计算修正，而在模拟仪表里常采用补偿电桥，利用不平衡电桥产生的电动势来补偿热电偶因冷端温度波动所引起的热电动势的变化。补偿电桥是利用不平衡电桥产生的不平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电动势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。

图3-14 仪表机械零点调整法

冷端补偿器是一个直流不平衡电桥，其中三个电阻为固定电阻，另一个电阻R_Cu为铜电阻，电桥与热电偶连接如图3-15所示。

图3-15 冷端补偿器的原理图

需要特别注意的是，桥臂R_Cu必须和热电偶的冷端尽量靠近，使它们处于同一温度下。设计时使R_Cu在0℃下的阻值和其余三个桥臂R₁、R₂和R₃完全相等，这时电桥处于平衡状态，图中a和b之间的电压U_ab=0（冷端补偿器输出电压）。当冷端t₀＞0℃时，回路热电动势将减小，但这时R_Cu增大，使电桥不平衡，出现U_ab＞0，而且极性为a负、b正。这时U_ab与热电动势E（t，0）同向串联，电动势叠加增大，起到了补偿作用，如果限流电阻R选择合适，可使U_ab增大值恰好等于回路热电动势减小的值，就完全避免了t₀的变化带来的影响，而且把冷端相当于置于0℃，完成了热电偶冷端处理和补偿功能。

（6）软件修正法

在计算机监控系统中，有专门设计的热电偶信号采集卡，一般有8路或16路信号通道，带有隔离、放大、滤波等处理电路。使用时要求把热电动势信号通过补偿导线与采集卡上的输入端子连接起来，在每一块卡上都在接线端子附近安装有热敏电阻，在采集卡驱动程序的支持下，计算机每次都采集各路热电动势信号和热敏电阻信号，根据热敏电阻信号可得到E（t₀，0），再按计算修正法计算出每一路的E（t，0）值，就可以得到准确的t值了。这种方法是在热电偶信号采集卡硬件的支持下，依靠软件编程完成热电偶冷端处理和补偿功能。