熱電偶測(cè)溫的基本原理

（一）熱電偶的熱電效應(yīng)
熱電偶作為溫度傳感器所依據(jù)的原理，是1823年塞貝克發(fā)現(xiàn)的熱電效應(yīng)。當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B的兩端相接成閉合回路，就組成熱電偶。如果A和B的兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同（假定
），則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電流，這表
明了該回路中存在電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為塞貝克電勢(shì)。顯然，回路中產(chǎn)生的熱電勢(shì)大小僅與組成回路的兩種導(dǎo)體或半導(dǎo)體A、B的材料性質(zhì)及兩個(gè)接點(diǎn)的溫度
有關(guān)，熱電勢(shì)用符號(hào) 表示。 （二）熱電偶工作原理
組成熱電偶的兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為熱電極；放置在被測(cè)溫度為
的介質(zhì)中的接點(diǎn)叫做測(cè)量端（或工作端、熱端）；另一個(gè)接點(diǎn)通常置于某個(gè)恒定的溫度 （如0℃），叫做參比端（或自由端、冷端）。
在熱電偶回路中，產(chǎn)生的熱電勢(shì)由兩部分組成，即溫差電勢(shì)和接觸電勢(shì)。 1.溫差電勢(shì)
溫差電勢(shì)是同一導(dǎo)體兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。由物理學(xué)電子論的觀點(diǎn)可知，當(dāng)一根均質(zhì)金屬導(dǎo)體A上存在溫度梯度時(shí)，處于高溫端的電子能量比低溫端的電子能量大，所以，從高溫端向低溫端擴(kuò)散
的電子數(shù)比從低溫端向高溫端擴(kuò)散的電子數(shù)多得多，結(jié)果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因得到電子而帶負(fù)電，在高、低溫兩端之間便形成一個(gè)從高溫端指向低溫端的靜電場(chǎng)
，這個(gè)靜電場(chǎng)將阻止電子進(jìn)一步從高溫端向低溫端擴(kuò)散，并加速電子向相反的方向轉(zhuǎn)移而建立相對(duì)的動(dòng)態(tài)平衡。此時(shí)，在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生的電位差稱為溫差電勢(shì)，用符號(hào)
表示導(dǎo)體A在其兩端溫度分別為 和 時(shí)的溫差電勢(shì)，括號(hào)中溫度 和
的順序決定了電勢(shì)的方向，若改變這一順序，也要相應(yīng)改變電勢(shì)的正負(fù)號(hào)，即 。 溫差電勢(shì) 可用下式表示：
（6-1） 同理，導(dǎo)體B在其兩端溫度為 和
時(shí)產(chǎn)生的溫差電勢(shì) 寫為： （6-2） 式中： 和
-----導(dǎo)體A和B在兩端溫度分別為 和 時(shí)的溫差電勢(shì)； e-----電子電荷量，e=1.602×10-19
C； -----波爾茲曼常數(shù)， ，J/K； 和 -----導(dǎo)體A和B的電子密度，均為溫度的函數(shù)。
上述兩式表明溫差電勢(shì)的大小只與導(dǎo)體的種類及導(dǎo)體兩端溫度 和 有關(guān)。 2.接觸電勢(shì)
接觸電勢(shì)是在兩種不同的導(dǎo)體相接觸處產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。由物理學(xué)電子論的觀
點(diǎn)知道，任何金屬內(nèi)部由于電子與晶格內(nèi)正電荷間的相互作用，使得電子在通常溫度下只作不規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，而不會(huì)從金屬中掙脫出來。要想從金屬中取出電子就必須消耗一定的功，這個(gè)功稱為金屬的逸出功。當(dāng)兩種不同的金屬導(dǎo)體A、B連接在一起時(shí)，其接觸處將會(huì)發(fā)生自由電子擴(kuò)散的現(xiàn)象，其原因之一是兩種金屬的逸出功不同。假如金屬導(dǎo)體A的逸出功比B的小，電子就比較容易從金屬A轉(zhuǎn)移到金屬B；另一原因是兩種金屬導(dǎo)體的自由電子密度略有不同，假如金屬導(dǎo)體A的自由電子密度比B的自由電子密度大，在單位時(shí)間內(nèi)由金屬A擴(kuò)散到金屬B的電子數(shù)就要比由金屬B擴(kuò)散到金屬A的電子數(shù)多。在上述情況下，金屬A將因失去電子而帶正電，金屬B則因得到電子而帶負(fù)電。于是在金屬導(dǎo)體A、B之間就產(chǎn)生了電位差，即在其接觸處形成一個(gè)由A到B的靜電場(chǎng)
，如圖6.3所示。這個(gè)靜電場(chǎng)將阻止電子擴(kuò)散的繼續(xù)進(jìn)行，并加速電子向相反的方向轉(zhuǎn)移。當(dāng)電子擴(kuò)散的能力與靜電場(chǎng)的阻力相平衡時(shí)，接觸處的自由電子擴(kuò)散就達(dá)到了動(dòng)平衡狀態(tài)。此時(shí)A、B之間所形成的電位差稱為接觸電勢(shì)，其數(shù)值不僅取決于兩種不同金屬導(dǎo)體的性質(zhì)，還和接觸處的溫度有關(guān)。用符號(hào)
表示金屬導(dǎo)體A和B的接觸點(diǎn)在溫度為
時(shí)的接觸電勢(shì)，其腳注AB的順序代表電位差的方向，如果改變腳注順序，電勢(shì)的正負(fù)符號(hào)也應(yīng)改變，即 。 接觸電勢(shì)
可用下式表示： （6-3）
同理，導(dǎo)體A和B的接觸點(diǎn)溫度為 時(shí)的接觸電勢(shì) 可表示為：
（6-4） 式中： 和 -----金屬導(dǎo)體A和B接觸點(diǎn)的溫度，K； 和
-----金屬導(dǎo)體A和B在溫度為 時(shí)的電子密度； 和 -----金屬導(dǎo)體A和B在溫度為 時(shí)的電子密度。
上述兩式表明，接觸電勢(shì)的大小與兩種導(dǎo)體的種類及接觸處的溫度有關(guān)。 3.熱電偶回路的熱電勢(shì)
綜上所述，當(dāng)兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體A和B首尾相接組成閉合回路時(shí)，如果 ，而且 ，則在這個(gè)回路內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)接觸電勢(shì) 、
和兩個(gè)溫差電勢(shì) 、 ，熱電偶回路的熱電勢(shì) 為：


（6-5）
將式（6-5）整理后可得：
（6-6） 由于溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小，而又有 ，所以在總電勢(shì) 中，以導(dǎo)體A、B在 端的接觸電勢(shì)
所占的比例*大，總電勢(shì) 的方向?qū)⑷Q于 的方向。在熱電偶的回路中，因 ，所以導(dǎo)體A為正極，B為負(fù)極。
式（6-6）表明，熱電勢(shì)的大小取決于熱電偶兩個(gè)熱電極材料的性質(zhì)和兩端接點(diǎn)的溫度。因此，當(dāng)熱電極的材料一定時(shí)，熱電偶的總電勢(shì)
就僅是兩個(gè)接點(diǎn)溫度 和 的函數(shù)差，可用下式表示為： （6-7） 如果能保持熱電偶的冷端溫度
恒定，對(duì)一定的熱電偶材料，則 亦為常數(shù)，可用C代替，其熱電勢(shì)就只與熱電偶測(cè)量端的溫度 成單值函數(shù)關(guān)系，即
（6-8）
這一關(guān)系式可通過實(shí)驗(yàn)方法獲得。在實(shí)際測(cè)溫中，就是保持熱電偶冷端溫度 為恒定的已知溫度，再用顯示儀表測(cè)出熱電勢(shì)
，而間接地求得熱電偶測(cè)量端的溫度，即為被測(cè)的溫度 。
通常，熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系，都是規(guī)定熱電偶冷端溫度為0℃時(shí)，按熱電偶的不同種類，分別列成表格形式，這些表格就稱為熱電偶的分度表。