热电偶的基本原理

热电偶就提供了关键的温度测量，尤其是在非常高的温度下。对于许多工业和过程关键型应用，T/C 和RTD（电阻温度检测器）都已成为温度测量的“黄金标准”。尽管 RTD 具有更好的精度和可重复性，但热电偶的相对优势包括：

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• 自供电（无需激励信号）

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然而，使用热电偶进行高精度温度测量可能很棘手。您可以通过实体电路设计和校准来优化测量精度，但在设计电路或使用温度计之前了解热电偶的工作原理会有所帮助。

（等式 1）热电偶的工作原理 
当在一根金属线上施加电压源时，电子会从正极端子流向负极端子，并且会损失一些能量来加热金属线。1821 年由托马斯·约翰·塞贝克 (Thomas Johann Seebeck) 发现的塞贝克效应是一种反向现象。当在金属线上施加温度梯度时，会产生电势。这是热电偶的物理基础。

在哪里 V 是电压梯度，  T 是温度梯度，S ( T ) 是塞贝克系数。该系数取决于材料，并且还随温度变化。导线上两个不同温度点之间的电压等于塞贝克系数函数在整个温度范围内的积分。

（等式 2）

例如，图 1 中的T 1 、T 2 和T 3 代表一段金属线上不同位置的温度。T 1 （蓝色）代表冷点，T3（红色）代表热点。点T 2和T 1之间的电压 是 

（等式 3）

类似地，点T 3 和T 1 之间的电压 为

（等式 4）

由于定积分的可加性，V 31 也等于

（等式 5）

当我们讨论热电偶电压-温度转换时，请记住这种情况。

图 1. 温度梯度和塞贝克效应在导线上产生电压。

热电偶由两种不同的材料组成，通常是具有不同塞贝克系数S ( T )的金属线。当一种材料的温差产生电压差时，为什么两种材料必不可少？假设图 2中的金属线 由材料“A”制成。如果带有同样由材料 A 制成的探针线的电压表，则电压表理论上不会检测到任何电压。

图 2. 当探针和电线由相同材料制成时的电压测量连接显示没有电位差。

原因是当探针连接到电线的末端时，它们充当金属线的延伸。连接到电压表输入端的这条长导线的末端处于相同的温度 ( T M )。如果电线的两端温度相同，则电线上不会产生电压。

为了从数学上证明这一点，我们计算了从电压表的正极端子到负极端子的整个导线回路中累积的电压。

（等式 6）

利用积分的加性，上式变为：

（等式 7）

当积分极限的下限和上限相同时，积分结果为V = 0。

如果探针材料由所示的材料B制成，则：

（等式 8）

化简积分，我们得到：

（等式 9）

当量。显示测量电压等于两种材料类型的塞贝克系数函数之差的积分。这就是热电偶由两种不同类型的金属制成的原因。

图 3. 电压测量连接，但探头和电线由不同材料制成，显示了塞贝克效应的物理现实。

从图 3 的电路和 Eq. 9、假设S A ( T )、S B ( T )和测量电压已知，我们仍然无法计算热端的温度( T H )，除非我们知道冷端的温度( T C ). 在热电偶的早期，使用对应于 0°C 的冰浴作为参考温度（因此称为冷端），因为这种方法成本低，非常容易获得，并且温度可以自调节。等效电路如所示。

图 4. 热电偶需要一个参考温度，此处显示为 0°C，用于计算未知温度T H 。

虽然我们知道图 4 中电路的参考温度，但求解T H 的积分方程并不实际。所有常见类型的热电偶都有标准参考表，因此您可以查找相应电压输出的温度。但是，请务必记住，所有标准热电偶参考表均以 0°C 参考温度制成表格。