2.2 热电偶传感器
热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。
2.2.1热电偶测温原理
1．热电效应
如图2-2所示，两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。热电动势是由两种导体的接触电动势和单一导体的温度差电动势组成。图2-2中两个接点，一个称为测量端，或称热端；另一个称为参考端（自由端），或称冷端。热电偶就是利用了上述的热电效应来测量温度的。
图2-2 热电效应
2．两种导体的接触电势
假设两种金属A、B的自由电子密度分别为nA和nB，且nA＞nB。当两种金属相接时，将产生自由电子的扩散现象。在同一瞬间，由A扩散到B中去的电子比由B扩散到A中去的多，从而使金属A失去电子带正电；金属B因得到电子带负电，在接触面形成电场。此电场阻止电子进一步扩散，达到动态平衡时，在A、B之间形成稳定的电位差，即接触电势eAB，如图2-3所示。
图2-3 两种导体的接触电势
3．单一导体的温差电势
对于单一导体，如果两端温度分别为T、T0，且T＞T0，如图2-4所示，则导体中的自由电子，在高温端具有较大的动能，因而向低温端扩散；高温端因失去了自由电子带正电，低温端获得了自由电子带负电，即在导体两端产生了电动势，这个电势称为单一导体的温差电动势。
图2-4 单一导体温差电动势
由图2-5可知，热电偶电路中产生的总热电动势为：
图2-5 接触电势示意图
或用摄氏温度表示：
在式（2-2）中，EAB（T, T0）为热电偶电路中的总电动势；eAB（T）为热端接触电动势；eB（T, T0）为B导体的温差电动势；eAB（T0）为冷端接触电动势；eA（T, T0）为A导体的温差电动势。
在总电动势中，温差电动势比接触电动势小很多，可忽略不计，则热电偶的热电动势可表示为：
对于已选定的热电偶，当参考端温度T0一定时，eAB（T0）=C为常数，则总的热电动势就只与温度T成单值函数关系，即：
实际应用中，热电动势与温度之间的关系是通过热电偶分度表来确定的。分度表是在参考端温度为0摄氏度时，通过实验建立起来的热电动势与工作端温度之间的数值对应关系。
4．热电偶的基本定律
（1）中间导体定律。
在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端温度相等，则热电偶产生的总热电动势不变。同理，加入第四、第五种导体后，只要其两端温度相等，同样影响电路中的总热电动势。如图2-6所示，可得电路总的热电动势为：
图2-6 中间导体定律示意图
根据这个定律，可采取任何方式焊接导线，将热电动势通过导线接至测量仪表进行测量，且不影响测量精度。
（2）中间温度定律。
在热电偶测量回路中，测量端温度为T，自由端温度为T0，中间温度为T′0，如图2-7所示。则T, T0电动势等于T, T′0电动势与T′0, T0电动势的代数和。即：
图2-7 中间温度定律示意图
显然，选用廉价的热电偶C、D代替T′0、T0热电偶A、B，只要在T′0、T0温度范围C、D与A、B热电偶具有相近的热电动势特性，便可使测量距离加长，测量成本大为降低，而且不受原热电偶自由端温度T′0的影响。这就是在实际测量中，对冷端温度进行修正，运用补偿导线延长测温距离，消除热电偶自由端温度变化影响的道理。
这里必须说明，同种导体构成的闭合电路中，不论导体的截面和长度如何，以及各处温度分布如何，都不能产生热电动势。
（3）参考电极定律（也称组成定律）。
如图2-8所示，已知热电极A、B与参考电极C组成的热电偶在结点温度为（T, T0）时的热电动势分别为EAC（T, T0）、EBC（T, T0），则相同温度下，由A、B两种热电极配对后的热电动势EAB（T, T0）可按下面公式计算：
图2-8 参考电极定律示意图
参考电极定律大大简化了热电偶选配电极的工作，只要获得有关热电极与参考电极配对的热电动势，那么任何两种热电极配对时的电动势均可利用该定律计算，而不需要逐个进行测定。
【例2-1】当T为100℃,T0为0℃时，铬合金-铂热电偶的E（100℃, 0℃）=+3.13 mV，铝合金-铂热电偶E（100℃, 0℃）为-1.02 mV，求铬合金-铝合金组成热电偶的热电势E（100℃, 0℃）。
解：设铬合金为A，铝合金为B，铂为C。
即：
EAC（100℃,0℃）=+3.13 mV
EBC（100℃,0℃）=-1.02 mV
则：
EAB（100℃,0℃）=+4.15 mV
2.2.2 热电偶的结构形式及热电偶材料
1．普通型热电偶
如图2-9所示是工业测量上应用最多的普通型热电偶，它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。普通型热电偶按其安装时的连接形式可分为固定螺纹连接、固定法兰连接、活动法兰连接、无固定装置等多种形式。
图2-9 直形无固定装置普通工业用热电偶
1-热电极；2-绝缘瓷管；3-保护管；4-接线座；5-接线柱；6-接线盒
2．铠装热电偶（缆式热电偶）
铠装热电偶也称缆式热电偶，如图2-10所示，它是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物熔铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。
图2-10 铠装热电偶
1-热电极；2-绝缘材料；3-金属套管；4-接线盒；5-固定装置
3．薄膜热电偶
薄膜热电偶如图2-11所示。用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。薄膜热电偶的测量范围为-200～500℃，热电极材料多采用铜-康铜、镍铬-镍硅等，用云母做绝缘基片，主要适用于各种表面温度的测量。当测量范围为500～1800℃时，热电极材料多用镍铬-镍硅、铂铑-铂等，用陶瓷做基片。
图2-11 薄膜热电偶
4．热电偶组成材料及分度表
理论上讲，任何两种不同材料导体都可以组成热电偶，但为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。目前工业上常用的4种标准化热电偶材料为：铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬-镍硅和镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬-康铜）。组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。
热电偶的热电动势与温度之关系表，称为分度表。
2.2.3 热电偶测温及参考端温度补偿
1．热电偶测温基本电路
图2-12（a）表示了测量某点温度的连接示意图；图2-12（b）表示两个热电偶并联连接，测量两点平均温度的连接示意图；图2-12（c）为两热电偶正向串联连接，可获得较大的热电动势输出，提高了测试灵敏度，也可测两点温度之和；图2-12（d）为两热电偶反向串联连接，可以测量两点的温差。在应用热电偶串、并联测温时，应注意两点：第一，必须应用同一分度号的热电偶；第二，两热电偶的参考端温度应相等。
图2-12 常用的热电偶测温电路示意图
2．热电偶参考端的补偿
以摄氏温度表示的热电偶分度表给出的热电势值的条件是参考端温度为0℃。如果用热电偶测温时参考端温度不为0℃，且又不适当处理，就必然产生测量误差。下面介绍几种热电偶参考端温度补偿方法。
设热电偶测量温度为t，参考端温度为t0（≠0℃），根据中间温度定律得：
式（2-9）中，E（t, 0℃）是热电偶测量端温度为t、参考端为0℃时的热电动势；而E（t,t0）是热电偶测量端温度为t、参考端温度为t0时所实测得的热电动势值；E（t0, 0℃）是热电偶参考端温度为t0时应加的修正值，只要已知t0，就可由热电偶分度表查出此修正值。
因此，只要知道热电偶参考端的温度t0，就可从热电偶分度表（或分度曲线）查出对应的热电动势值E（t0, 0℃）；然后把这个热电动势值与实测的热电动势值E（t,t0）相加，得出测量端温度为t、参考端温度为0℃时的热电动势值E（t, 0℃）；最后再由热电偶分度表查出被测介质的真实温度。例如用K型（镍铬-镍硅）热电偶测炉温时，参考端温度t0=30℃，由分度表可查得E（30℃, 0℃）=1.203 mV，若测炉温时测得E（t, 30℃）=28.344 mV，则可计算得：
E（t,0℃）=E（t,30℃）+E（30℃,0℃）=28.344 mV +1.203 mV =29.547 mV
再查分度表可知t=710℃。
如果参考端温度不稳定，会使温度测量误差加大。为使热电偶测量准确，在测温时，可采用配套的补偿导线将参考端延伸到温度稳定处再进行温度测量。在使用热电偶补偿导线时，要注意型号相配，极性不能接错，热电偶与补偿导线连接端的温度不应超过100℃。