应用热电偶传感器的原理和方法

1.热电效应

在近二百年前，德国物理学家赛贝克（T.J.Seebeck）用两种不同金属组成闭合回路，并用酒精灯加热其中一个接触点（称为结点），发现放在回路中的指南针发生偏转，如图2-39a所示。如果用两盏酒精灯对两个结点同时加热，指南针的偏转角反而减小。显然，指南针的偏转说明回路中有电动势产生并有电流在回路中流动，电流的强弱与两个结点的温差有关。

图2-39 热电偶原理图

a）热电效应 b）结点产生热电动势示意 c）图形符号 d）热电动势示意

1—工作端 2—热电极 3—指南针 4—参考端

据此，赛贝克发现和证明了两种不同材料的导体A和B组成的闭合回路，当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。这种物理现象称为热电效应。两种不同材料的导体所组成的回路称为“热电偶”，组成热电偶的导体称为“热电极”，热电偶所产生的电动势称为热电势。热电偶的两个结点中，置于温度为T的被测对象中的结点称为测量端，又称为工作端或热端；而置于参考温度为T₀的另一结点称为参考端，又称为自由端或冷端。

根据电子理论分析表明：热电偶产生的热电势E_AB（T，T₀）主要由接触电动势组成。

将两种不同的金属互相接触，如图2-39b所示。由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，直至在接点处建立起充分强大的电场，能够阻止电子的继续扩散，从而达到动态平衡为止，从而建立起稳定的热电动势。这种在两种不同金属的接点处产生的热电动势称为珀尔帖（PeItier）电动势，又称为接触电动势。它的数值取决于两种导体的自由电子密度和接触点的温度，而与导体的形状及尺寸无关。

由于热电偶的两个结点均存在珀尔帖电动势，所以热电偶所产生的总的热电动势是两个结点温差Δt的函数f_AB（见图2-39d），

E_AB（T，T₀）＝f_AB（T，T₀）＝f_ABΔt （2-20）

由上式可以得出下列几个结论：

1）如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。

2）如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同（t₁≠t₀），但总输出热电动势仍为零。因此，必须由两种不同材料才能构成热电偶。

3）式（2-20）中未包含与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以，热电动势的大小只与材料和结点温度有关。但热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关，热电偶越细，内阻越大。(www.xing528.com)

如果以摄氏温度为单位，E_AB（T，T₀）也可以写成E_AB（t，t₀），其物理意义略有不同，但电动势的数值是相同的。

2.中间导体定律

在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电动势没有影响，这就是中间导体定律。

依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。

有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV值，在导线与热电偶连接处产生的接触电动势会使测量产生附加误差。根据这个定律，是没有这个误差的！利用热电偶来实际测温时，连接导线、显示仪表和接插件等均可看成是中间导体，只要保证这些中间导体两端的温度各自相同，则对热电偶的热电动势没有影响。因此中间导体定律对热电偶的实际应用是十分重要的。在使用热电偶时，应尽量使上述元器件两端的温度相同，才能减少测量误差。

3.热电偶的种类

我国从1991年开始采用国际计量委员会规定的“1990年国际温标”（简称ITS-90）的新标准。按此标准，共有8种标准化了的通用热电偶，见表2-5。表2-5所列热电偶中，写在前面的热电极为正极，写在后面的为负极。对于每一种热电偶，还制定了相应的分度表，并巨有相应的线性化集成电路与之对应。所谓分度表就是热电偶自由端（冷端）温度为0℃时，反映热电偶工作端（热端）温度与输出热电动势之间的对应关系的表格。

表2-58 种国际通用热电偶特性表

图2-40 常用热电偶的热电动势与温度的关系曲线

从表2-5所列热电偶可以看出，热电偶的种类是由热电极材料决定的。热电极材料很多，因此热电偶种类也很多。图2-41示出了几种常用热电偶的热电动势与温度的关系曲线。从图2-40中可以看到，在0℃时它们的热电动势均为零，这是因为绘制热电动势-温度曲线或制定分度表时，总是将冷端置于0℃这一规定环境中的缘故。

从图2-40中还可以看出，B、R、S及WRe5-WRe26（钨锌₅-钨锌₂₆）等热电偶在100℃时的热电动势几乎为零，只适合于高温测量。

从图2-40中还可以看到，多数热电偶的输出都是非线性（斜率K_AB不为常数）的，但国际计量委员会已对这些热电偶的每一度的热电动势做了非常精密的测试，并向全世界公布了它们的分度表（t₀＝0℃）。使用前，只要将这些分度表输入到计算机中，由计算机根据测得的热电动势自动查表就可获得被测温度值。