熱(re)電(dian)偶(ou)測溫(wen)的(de)(de)(de)基本原理(li)是(shi)兩(liang)種不(bu)同(tong)(tong)(tong)成(cheng)份(fen)的(de)(de)(de)材質導體組(zu)成(cheng)閉合回路(lu),當兩(liang)端(duan)(duan)存(cun)在(zai)(zai)溫(wen)度(du)(du)梯度(du)(du)時,回路(lu)中就會有(you)電(dian)流(liu)通(tong)過，此(ci)時兩(liang)端(duan)(duan)之間(jian)就存(cun)在(zai)(zai)電(dian)動勢——熱(re)電(dian)動勢，這就是(shi)所謂(wei)的(de)(de)(de)塞貝(bei)克效應。兩(liang)種不(bu)同(tong)(tong)(tong)成(cheng)份(fen)的(de)(de)(de)均質導體為熱(re)電(dian)極，溫(wen)度(du)(du)較高(gao)的(de)(de)(de)一端(duan)(duan)為工作端(duan)(duan)，溫(wen)度(du)(du)較低的(de)(de)(de)一端(duan)(duan)為自由 端(duan)(duan)，自由端(duan)(duan)通(tong)常處(chu)于某個(ge)恒定的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)(du)下。根據熱(re)電(dian)動勢與溫(wen)度(du)(du)的(de)(de)(de)函數關系, 制(zhi)成(cheng)熱(re)電(dian)偶(ou)分(fen)(fen)度(du)(du)表(biao); 分(fen)(fen)度(du)(du)表(biao)是(shi)自由端(duan)(duan)溫(wen)度(du)(du)在(zai)(zai)0℃時的(de)(de)(de)條件下得到的(de)(de)(de)，不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)熱(re)電(dian)偶(ou)具有(you)不(bu)同(tong)(tong)(tong)的(de)(de)(de)分(fen)(fen)度(du)(du)表(biao)。
在(zai)熱(re)(re)電(dian)偶回(hui)路中接(jie)入(ru)第(di)三(san)種金屬材(cai)(cai)料時(shi)，只要該材(cai)(cai)料兩個(ge)接(jie)點的溫(wen)度相同(tong)，熱(re)(re)電(dian)偶所產生的熱(re)(re)電(dian)勢將保持不變，即不受第(di)三(san)種金屬接(jie)入(ru)回(hui)路中的影響。因此，在(zai)熱(re)(re)電(dian)偶測(ce)溫(wen)時(shi)，可接(jie)入(ru)測(ce)量儀表(biao)，測(ce)得(de)熱(re)(re)電(dian)動(dong)勢后，即可知(zhi)道被測(ce)介質的溫(wen)度。
熱電偶溫度傳感器的工作原理
兩種(zhong)不同成(cheng)份(fen)的(de)導體（稱(cheng)為(wei)(wei)熱(re)(re)(re)電(dian)偶絲材或(huo)熱(re)(re)(re)電(dian)極）兩端(duan)接(jie)(jie)合(he)成(cheng)回路，當接(jie)(jie)合(he)點的(de)溫(wen)度(du)不同時，在回路中(zhong)就會產(chan)生電(dian)動(dong)勢，這(zhe)種(zhong)現象稱(cheng)為(wei)(wei)熱(re)(re)(re)電(dian)效應，而這(zhe)種(zhong)電(dian)動(dong)勢稱(cheng)為(wei)(wei)熱(re)(re)(re)電(dian)勢。熱(re)(re)(re)電(dian)偶就是利用(yong)這(zhe)種(zhong)原理進行溫(wen)度(du)測量的(de)，其中(zhong)，直接(jie)(jie)用(yong)作測量介質(zhi)溫(wen)度(du)的(de)一端(duan)叫(jiao)做(zuo)工作端(duan)（也稱(cheng)為(wei)(wei)測量端(duan)），另(ling)一端(duan)叫(jiao)做(zuo)冷(leng)端(duan)（也稱(cheng)為(wei)(wei)補償 端(duan)）；冷(leng)端(duan)與顯(xian)示儀表(biao)或(huo)配套儀表(biao)連接(jie)(jie)，顯(xian)示儀表(biao)會指出(chu)熱(re)(re)(re)電(dian)偶所產(chan)生的(de)熱(re)(re)(re)電(dian)勢。
熱(re)(re)電偶實(shi)際上是一(yi)種能量轉換器，它(ta)將熱(re)(re)能轉換為(wei)電能，用所產生的(de)熱(re)(re)電勢(shi)測量溫度(du)，對于熱(re)(re)電偶的(de)熱(re)(re)電勢(shi)，應注意(yi)如下幾個問題：
1：熱電偶的熱電勢是(shi)熱電偶工作端(duan)的兩端(duan)溫(wen)度函(han)數的差(cha)(cha)，而(er)不(bu)是(shi)熱電偶冷(leng)端(duan)與工作端(duan)，兩端(duan)溫(wen)度差(cha)(cha)的函(han)數；
2 ：熱電(dian)(dian)(dian)偶所(suo)產生的(de)熱電(dian)(dian)(dian)勢的(de)大小(xiao)，當熱電(dian)(dian)(dian)偶的(de)材料是均勻時，與(yu)熱電(dian)(dian)(dian)偶的(de)長(chang)度和直(zhi)徑無關，只與(yu)熱電(dian)(dian)(dian)偶材料的(de)成份和兩(liang)端的(de)溫差有關；
3：當熱(re)(re)電(dian)(dian)偶(ou)的(de)(de)(de)兩(liang)個熱(re)(re)電(dian)(dian)偶(ou)絲(si)材料(liao)成份確定后，熱(re)(re)電(dian)(dian)偶(ou)熱(re)(re)電(dian)(dian)勢(shi)的(de)(de)(de)大小(xiao)，只與熱(re)(re)電(dian)(dian)偶(ou)的(de)(de)(de)溫(wen)度差有(you)關；若熱(re)(re)電(dian)(dian)偶(ou)冷端的(de)(de)(de)溫(wen)度保持一(yi)定，這(zhe)進熱(re)(re)電(dian)(dian)偶(ou)的(de)(de)(de)熱(re)(re)電(dian)(dian)勢(shi)僅 是工作(zuo)端溫(wen)度的(de)(de)(de)單值函數。將兩(liang)種不(bu)同材料(liao)的(de)(de)(de)導體(ti)(ti)或(huo)半導體(ti)(ti)A和(he)(he)B焊接起來(lai)，構成一(yi)個閉合回路，如圖所示。當導體(ti)(ti)A和(he)(he)B的(de)(de)(de)兩(liang)個執著(zhu)點1和(he)(he)2之間存在溫(wen)差時，兩(liang) 者之間便(bian)產生電(dian)(dian)動勢(shi)，因而在回路中形成一(yi)個大小(xiao)的(de)(de)(de)電(dian)(dian)流(liu),這(zhe)種現象稱(cheng)為熱(re)(re)電(dian)(dian)效應(ying)。熱(re)(re)電(dian)(dian)偶(ou)就是利用這(zhe)一(yi)效應(ying)來(lai)工作(zuo)的(de)(de)(de)。
溫(wen)度是(shi)對(dui)物體樣本中粒子平均(jun)動能的(de)(de)測量方式，其(qi)(qi)標準(zhun)單位是(shi)“度”。溫(wen)度可以通過不同方法進行(xing)測量，測量的(de)(de)成本和精確度也因此各不相同。熱電偶就是(shi)其(qi)(qi)中一種(zhong)常見的(de)(de)測量溫(wen)度的(de)(de)傳(chuan)感(gan)器，因為熱電偶相對(dui)而言價格便宜而且(qie)精確度高，并且(qie)其(qi)(qi)測量范圍相對(dui)較(jiao)寬。
每當(dang)兩個不(bu)同的金屬接(jie)觸(chu)，接(jie)觸(chu)點聚會產生一個以溫(wen)度(du)(du)為函數的較低(di)的空載電(dian)壓，這就(jiu)是(shi)熱電(dian)效應。這個溫(wen)差電(dian)壓就(jiu)是(shi)Seebeck電(dian)壓，以1821年發現(xian)該現(xian)象的物理學家ThomasSeebeck命名。該電(dian)壓相對于(yu)溫(wen)度(du)(du)是(shi)非線(xian)性的，但是(shi)對于(yu)小范(fan)圍(wei)內(nei)的變化溫(wen)度(du)(du)可以近似(si)的認為是(shi)線(xian)性的，或者(zhe)：
(1)
式中(zhong)，?V是電壓變化，S是Seebeck系數(shu)，而?T是溫度變化。
熱電(dian)偶的(de)類(lei)型(xing)有很多種(zhong)，并且(qie)都(dou)根據(ju)美國國家標準學會（ANSI）公約規定，由大些字母注明其成分。例如，J型(xing)熱電(dian)偶由一個鐵制導(dao)體和一個銅鎳合金導(dao)體構成。熱電(dian)偶的(de)其他類(lei)型(xing)包(bao)括(kuo)B，E，K，N，R，S，和T。
如何測量熱電偶
為(wei)了更好地(di)理解(jie)(jie)如(ru)(ru)何進(jin)行熱電(dian)偶(ou)測(ce)(ce)量，必須先了解(jie)(jie)熱電(dian)偶(ou)工作(zuo)原理。本(ben)文檔的(de)第一部分(fen)將(jiang)解(jie)(jie)釋熱電(dian)偶(ou)的(de)基(ji)本(ben)原理，以后部分(fen)將(jiang)陸續講解(jie)(jie)如(ru)(ru)何實現熱電(dian)偶(ou)同儀器之間(jian)的(de)連接(jie)以及如(ru)(ru)何進(jin)行溫度測(ce)(ce)量。
熱電(dian)偶Seebeck電(dian)壓(ya)如果直接連到(dao)測量系統(tong)上連接到(dao)測量系統(tong)上會(hui)產生附(fu)加溫差電(dian)路，因(yin)此不能通過簡單地同電(dian)壓(ya)表或者其(qi)他測量系統(tong)連接而(er)進(jin)行測量。
圖1.J型熱電偶
如圖(tu)1所示，電(dian)(dian)(dian)路中(zhong)使(shi)用(yong)J型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶對燭火(huo)(huo)溫(wen)度進行測量。兩個(ge)(ge)熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶線路同(tong)數(shu)據(ju)(ju)采集設備的(de)(de)銅質接線端(duan)子連接。注意該電(dian)(dian)(dian)路中(zhong)有三個(ge)(ge)金(jin)屬連接口——J1,J2和(he)(he)J3。J1是熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶測量點(dian)，產生(sheng)一個(ge)(ge)同(tong)燭火(huo)(huo)溫(wen)度成(cheng)比例(li)的(de)(de)Seebeck電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。除此之(zhi)外(wai)J2和(he)(he)J3每個(ge)(ge)都(dou)有各自的(de)(de)Seebeck系數(shu)，并在數(shu)據(ju)(ju)采集終端(duan)都(dou)會(hui)產生(sheng)一個(ge)(ge)同(tong)溫(wen)度成(cheng)比例(li)的(de)(de)溫(wen)差電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，稱為冷端(duan)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。為了確定J1的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)分量，就需要知道J2和(he)(he)J3接點(dian)的(de)(de)溫(wen)度，并且知道接點(dian)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)和(he)(he)溫(wen)度之(zhi)間的(de)(de)關系。這樣，就可以(yi)通過從(cong)測量電(dian)(dian)(dian)壓(ya)中(zhong)減去J2和(he)(he)J3寄生(sheng)結電(dian)(dian)(dian)壓(ya)分量而得到J1接點(dian)的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。
熱(re)電偶需要(yao)一個特(te)定的溫度(du)基(ji)準來補(bu)償(chang)該冷端產生的誤差。最常用(yong)規定方法(fa)就(jiu)是使用(yong)可直接讀取的溫度(du)傳感器(qi)測量得到參考端溫度(du)，減去寄生端電壓分量。這(zhe)個處理方法(fa)被稱為(wei)冷端補(bu)償(chang)，可以(yi)利用(yong)某些熱(re)電偶的特(te)性來簡(jian)化計算冷端補(bu)償(chang)。
通過使用金屬過渡層的熱電偶定律以及其他假設條件，我們可知電壓數據采集系統的測量只取決于熱電偶類型，測量端電壓和冷端溫度。測量電壓同測量導線和冷端J2、J3的電壓分量無關。
圖(tu)2.金(jin)屬過渡層熱電(dian)偶定律(lv)
考慮圖3中電路。該電路同前文圖1中所描述的電路相似，但是在J3接點前插入了一小段銅鎳合金導線。所有接點處于同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點溫度相同，金屬過渡層熱電偶定律說明圖3中的電路同圖1中的電路在電氣理論上是相同的。所以，圖3電路所測得的任何結果都適用于圖1所示電路。
圖(tu)3.在等溫環(huan)境中(zhong)插(cha)入(ru)一(yi)個附加(jia)導線
圖3中，J2和J4接點屬于同一類型（銅鎳合金）；因為兩者處于等溫環境，J2和J4也是同樣的溫度。因為電路中電流方向緣故，J4端產生一個Seebeck正電壓，J2端產生一個Seebeck負電壓。因此，接點抵消了相互之間的影響，測量電壓的總量就為零。J1和J3接點都是鐵—銅鎳合金接點。但是他們的溫度可能不同，因為他們可能不是在等溫環境中。因為他們處于不同溫度環境下，J1和J3接點都可以產生Seebeck電壓，但是大小不同。為了補償冷端J3，測量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測量中減去。
使用VJx(Ty)符號表示Jx接點在Ty溫度時所產生的電壓，一般熱電偶問題簡化成下式：
VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)
式中，VMEAS表示數據采集系統測量得到的電壓值，TTC表示J1接點熱電偶的溫度，Tref表示基準端的溫度。
注意到在（2）式中，VJx(Ty)表示的是就某個基準溫度而言在Ty溫度環境下所產生的電壓。只要VJ1和VJ3是與同一個基準溫度相關的溫度函數，2式就成立。例如，如前文所述的NIST熱電偶參照表就是將基準端保持在0攝氏度情況下生成的。
因為J3和J1是同類型的，但是產生相對電壓，所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因為VJ1是熱電偶類型測試狀態下產生的電壓，所以該電壓可以重命名為VTC。因此，2式可以改寫成下式：
VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)
因此，通過測量VMEAS和Tref知道了熱電偶電壓同溫度的關系，就能夠確定熱電偶測量端的溫度。
現有兩種實現冷端補償的技術——硬件補償和軟件補償。兩種技術都需要使用可直接讀取傳感器得到基準端溫度。可直接讀取傳感器有一個只由測量點溫度決定的輸入端。半導體傳感器，電熱調節器和RTD都是常用的測量基準端溫度的儀器。
使用硬件補償，可以將一個可變電壓源插入到電路中，撤銷寄生溫差電壓。可變電壓源根據環境溫度產生一個補償電壓，這樣附加到修正電壓上用來撤銷不需要的溫差信號。當這些寄生信號都被去除了，數據采集系統測量的唯一信號就是從熱電偶測量端測得的電壓。使用硬件補償的情況下，數據采集系統終端的溫度是不相關的，因為其中的寄生性熱電偶電壓已經被取消了。硬件補償的主要不足之處在于，每種熱電偶必須擁有一個分開的能夠附加修正補償電壓的補償電路，這樣就會大大增加電路的成本。通常情況下，硬件補償在精度上也不及軟件補償。
或者您可以選擇使用軟件來進行冷端補償。在使用可直接讀取傳感器測量得到基準端溫度后，軟件能夠在被測電壓上附加一個適合的電壓值來消除冷端電壓的影響。回憶（3）式中指明被測電壓VMEAS等于（熱電偶）測量端接點和冷端接點之間的電壓差值。
熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)輸出電(dian)(dian)壓是高度(du)(du)非線(xian)(xian)性的(de)。Seebeck系數會因(yin)為一些熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)的(de)運行溫度(du)(du)區(qu)域(yu)中(zhong)三個或以上(shang)的(de)因(yin)素(su)而有所變化。因(yin)此，您(nin)必須使用多項式來模擬熱(re)電(dian)(dian)偶(ou)中(zhong)電(dian)(dian)壓VS溫度(du)(du)曲線(xian)(xian)或者使用查表法(fa)。
測量精度和溫度測量范圍的選擇
使用(yong)(yong)(yong)(yong)溫度(du)(du)在(zai)(zai)1300~1800℃，要求精(jing)(jing)度(du)(du)又比較高時，一般選用(yong)(yong)(yong)(yong)B型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou);要求精(jing)(jing)度(du)(du)不高，氣氛又允許(xu)可用(yong)(yong)(yong)(yong)鎢錸熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)，高于1800℃一般選用(yong)(yong)(yong)(yong)鎢錸熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou);使用(yong)(yong)(yong)(yong)溫度(du)(du)在(zai)(zai)1000~1300℃要求精(jing)(jing)度(du)(du)又比較高可用(yong)(yong)(yong)(yong)S型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)和(he)N型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou);在(zai)(zai)1000℃以下(xia)一般用(yong)(yong)(yong)(yong)K型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)和(he)N型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)，低于400℃一般用(yong)(yong)(yong)(yong)E型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou);250℃下(xia)以及負溫測量一般用(yong)(yong)(yong)(yong)T型電(dian)(dian)(dian)偶(ou)，在(zai)(zai)低溫時T型熱(re)電(dian)(dian)(dian)偶(ou)穩定而且精(jing)(jing)度(du)(du)高。
使用氣氛的選擇
S型、B型、K型熱(re)電(dian)偶(ou)適(shi)合于強的氧化和弱(ruo)的還原(yuan)氣氛中使(shi)(shi)用，J型和T型熱(re)電(dian)偶(ou)適(shi)合于弱(ruo)氧化和還原(yuan)氣氛，若使(shi)(shi)用氣密性比(bi)較好的保護管，對氣氛的要求就不太嚴(yan)格。濕(shi)度傳感器(qi)探頭,,不銹鋼電(dian)熱(re)管PT100傳感器(qi),,鑄鋁加(jia)熱(re)器(qi),加(jia)熱(re)圈(quan)流體(ti)電(dian)磁(ci)閥
耐久性及熱響應性的選擇
線徑大的(de)熱電(dian)偶耐久性好(hao)，但響應(ying)較(jiao)慢一些，對于熱容量大的(de)熱電(dian)偶，響應(ying)就(jiu)慢，測量梯度大的(de)溫(wen)度時，在溫(wen)度控(kong)制的(de)情況(kuang)下，控(kong)溫(wen)就(jiu)差。要(yao)求響應(ying)時間快又(you)要(yao)求有一定(ding)的(de)耐久性，選擇(ze)鎧裝(zhuang)偶比(bi)較(jiao)合適。
測量對象的性質和狀態對熱電偶的選擇
運(yun)動物體(ti)、振(zhen)動物體(ti)、高壓容(rong)器(qi)的測溫要求(qiu)機(ji)械強度高，有(you)化學污(wu)染(ran)的氣氛要求(qiu)有(you)保護管，有(you)電(dian)氣干擾(rao)的情況(kuang)下要求(qiu)絕(jue)緣比較(jiao)高。
注意事項
熱(re)電偶公稱壓(ya)力：一(yi)般是(shi)指(zhi)在(zai)工作溫度(du)下保(bao)護管所能承受的靜(jing)態外壓(ya)而破裂。
熱(re)電偶(ou)最小插入深度：應不小于其(qi)保護套(tao)管外(wai)徑的8－10倍（特(te)列產(chan)品例外(wai)）
絕緣(yuan)電(dian)(dian)阻(zu)：當(dang)周圍空氣溫(wen)度為15－35℃，相(xiang)對濕度＜80％時絕緣(yuan)電(dian)(dian)阻(zu)≥5兆(zhao)(zhao)歐(ou)（電(dian)(dian)壓(ya)100V）。具有防濺式接線盒的熱電(dian)(dian)偶，當(dang)相(xiang)對溫(wen)度為93± 3℃ 時，絕緣(yuan)電(dian)(dian)阻(zu)≥0.5兆(zhao)(zhao)歐(ou)（電(dian)(dian)壓(ya)100V）
高溫(wen)下的絕緣電(dian)阻：熱電(dian)偶在高溫(wen)下，其熱電(dian)極(ji)（包括雙支(zhi)式）與保護管以及雙支(zhi)熱電(dian)極(ji)之間的絕緣電(dian)阻（按每米計）應大于下表(biao)規定的值(zhi)。