熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí),回路中就會(huì)有電流通過(guò)，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)——熱電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由 端，自由端通常處于某個(gè)恒定的溫度下。根據(jù)熱電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0℃時(shí)的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。
在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。
熱電偶溫度傳感器的工作原理
兩種不同成份的導(dǎo)體（稱(chēng)為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱(chēng)為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱(chēng)為補(bǔ)償 端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。
熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，它將熱能轉(zhuǎn)換為電能，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度，對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，應(yīng)注意如下幾個(gè)問(wèn)題：
1：熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶工作端的兩端溫度函數(shù)的差，而不是熱電偶冷端與工作端，兩端溫度差的函數(shù)；
2 ：熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)的大小，當(dāng)熱電偶的材料是均勻時(shí)，與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電偶材料的成份和兩端的溫差有關(guān)；
3：當(dāng)熱電偶的兩個(gè)熱電偶絲材料成份確定后，熱電偶熱電勢(shì)的大小，只與熱電偶的溫度差有關(guān)；若熱電偶冷端的溫度保持一定，這進(jìn)熱電偶的熱電勢(shì)僅 是工作端溫度的單值函數(shù)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩 者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。
溫度是對(duì)物體樣本中粒子平均動(dòng)能的測(cè)量方式，其標(biāo)準(zhǔn)單位是“度”。溫度可以通過(guò)不同方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量的成本和精確度也因此各不相同。熱電偶就是其中一種常見(jiàn)的測(cè)量溫度的傳感器，因?yàn)闊犭娕枷鄬?duì)而言?xún)r(jià)格便宜而且精確度高，并且其測(cè)量范圍相對(duì)較寬。
每當(dāng)兩個(gè)不同的金屬接觸，接觸點(diǎn)聚會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以溫度為函數(shù)的較低的空載電壓，這就是熱電效應(yīng)。這個(gè)溫差電壓就是Seebeck電壓，以1821年發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的物理學(xué)家ThomasSeebeck命名。該電壓相對(duì)于溫度是非線(xiàn)性的，但是對(duì)于小范圍內(nèi)的變化溫度可以近似的認(rèn)為是線(xiàn)性的，或者：
(1)
式中，?V是電壓變化，S是Seebeck系數(shù)，而?T是溫度變化。
熱電偶的類(lèi)型有很多種，并且都根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）公約規(guī)定，由大些字母注明其成分。例如，J型熱電偶由一個(gè)鐵制導(dǎo)體和一個(gè)銅鎳合金導(dǎo)體構(gòu)成。熱電偶的其他類(lèi)型包括B，E，K，N，R，S，和T。
如何測(cè)量熱電偶
為了更好地理解如何進(jìn)行熱電偶測(cè)量，必須先了解熱電偶工作原理。本文檔的第一部分將解釋熱電偶的基本原理，以后部分將陸續(xù)講解如何實(shí)現(xiàn)熱電偶同儀器之間的連接以及如何進(jìn)行溫度測(cè)量。
熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測(cè)量系統(tǒng)上連接到測(cè)量系統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生附加溫差電路，因此不能通過(guò)簡(jiǎn)單地同電壓表或者其他測(cè)量系統(tǒng)連接而進(jìn)行測(cè)量。
圖1.J型熱電偶
如圖1所示，電路中使用J型熱電偶對(duì)燭火溫度進(jìn)行測(cè)量。兩個(gè)熱電偶線(xiàn)路同數(shù)據(jù)采集設(shè)備的銅質(zhì)接線(xiàn)端子連接。注意該電路中有三個(gè)金屬連接口——J1,J2和J3。J1是熱電偶測(cè)量點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)同燭火溫度成比例的Seebeck電壓。除此之外J2和J3每個(gè)都有各自的Seebeck系數(shù)，并在數(shù)據(jù)采集終端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同溫度成比例的溫差電壓，稱(chēng)為冷端電壓。為了確定J1的電壓分量，就需要知道J2和J3接點(diǎn)的溫度，并且知道接點(diǎn)電壓和溫度之間的關(guān)系。這樣，就可以通過(guò)從測(cè)量電壓中減去J2和J3寄生結(jié)電壓分量而得到J1接點(diǎn)的電壓。
熱電偶需要一個(gè)特定的溫度基準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償該冷端產(chǎn)生的誤差。最常用規(guī)定方法就是使用可直接讀取的溫度傳感器測(cè)量得到參考端溫度，減去寄生端電壓分量。這個(gè)處理方法被稱(chēng)為冷端補(bǔ)償，可以利用某些熱電偶的特性來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算冷端補(bǔ)償。
通過(guò)使用金屬過(guò)渡層的熱電偶定律以及其他假設(shè)條件，我們可知電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量只取決于熱電偶類(lèi)型，測(cè)量端電壓和冷端溫度。測(cè)量電壓同測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)和冷端J2、J3的電壓分量無(wú)關(guān)。
圖2.金屬過(guò)渡層熱電偶定律
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(diǎn)前插入了一小段銅鎳合金導(dǎo)線(xiàn)。所有接點(diǎn)處于同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點(diǎn)溫度相同，金屬過(guò)渡層熱電偶定律說(shuō)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(cè)得的任何結(jié)果都適用于圖1所示電路。
圖3.在等溫環(huán)境中插入一個(gè)附加導(dǎo)線(xiàn)
圖3中，J2和J4接點(diǎn)屬于同一類(lèi)型（銅鎳合金）；因?yàn)閮烧咛幱诘葴丨h(huán)境，J2和J4也是同樣的溫度。因?yàn)殡娐分须娏鞣较蚓壒?，J4端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck正電壓，J2端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck負(fù)電壓。因此，接點(diǎn)抵消了相互之間的影響，測(cè)量電壓的總量就為零。J1和J3接點(diǎn)都是鐵—銅鎳合金接點(diǎn)。但是他們的溫度可能不同，因?yàn)樗麄兛赡懿皇窃诘葴丨h(huán)境中。因?yàn)樗麄兲幱诓煌瑴囟拳h(huán)境下，J1和J3接點(diǎn)都可以產(chǎn)生Seebeck電壓，但是大小不同。為了補(bǔ)償冷端J3，測(cè)量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測(cè)量中減去。
使用VJx(Ty)符號(hào)表示Jx接點(diǎn)在Ty溫度時(shí)所產(chǎn)生的電壓，一般熱電偶問(wèn)題簡(jiǎn)化成下式：
VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)
式中，VMEAS表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量得到的電壓值，TTC表示J1接點(diǎn)熱電偶的溫度，Tref表示基準(zhǔn)端的溫度。
注意到在（2）式中，VJx(Ty)表示的是就某個(gè)基準(zhǔn)溫度而言在Ty溫度環(huán)境下所產(chǎn)生的電壓。只要VJ1和VJ3是與同一個(gè)基準(zhǔn)溫度相關(guān)的溫度函數(shù)，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(zhǔn)端保持在0攝氏度情況下生成的。
因?yàn)镴3和J1是同類(lèi)型的，但是產(chǎn)生相對(duì)電壓，所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因?yàn)閂J1是熱電偶類(lèi)型測(cè)試狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓，所以該電壓可以重命名為VTC。因此，2式可以改寫(xiě)成下式：
VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)
因此，通過(guò)測(cè)量VMEAS和Tref知道了熱電偶電壓同溫度的關(guān)系，就能夠確定熱電偶測(cè)量端的溫度。
現(xiàn)有兩種實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)——硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。兩種技術(shù)都需要使用可直接讀取傳感器得到基準(zhǔn)端溫度?？芍苯幼x取傳感器有一個(gè)只由測(cè)量點(diǎn)溫度決定的輸入端。半導(dǎo)體傳感器，電熱調(diào)節(jié)器和RTD都是常用的測(cè)量基準(zhǔn)端溫度的儀器。
使用硬件補(bǔ)償，可以將一個(gè)可變電壓源插入到電路中，撤銷(xiāo)寄生溫差電壓。可變電壓源根據(jù)環(huán)境溫度產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓，這樣附加到修正電壓上用來(lái)撤銷(xiāo)不需要的溫差信號(hào)。當(dāng)這些寄生信號(hào)都被去除了，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量的唯一信號(hào)就是從熱電偶測(cè)量端測(cè)得的電壓。使用硬件補(bǔ)償?shù)那闆r下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端的溫度是不相關(guān)的，因?yàn)槠渲械募纳詿犭娕茧妷阂呀?jīng)被取消了。硬件補(bǔ)償?shù)闹饕蛔阒幵谟?，每種熱電偶必須擁有一個(gè)分開(kāi)的能夠附加修正補(bǔ)償電壓的補(bǔ)償電路，這樣就會(huì)大大增加電路的成本。通常情況下，硬件補(bǔ)償在精度上也不及軟件補(bǔ)償。
或者您可以選擇使用軟件來(lái)進(jìn)行冷端補(bǔ)償。在使用可直接讀取傳感器測(cè)量得到基準(zhǔn)端溫度后，軟件能夠在被測(cè)電壓上附加一個(gè)適合的電壓值來(lái)消除冷端電壓的影響?；貞洠?）式中指明被測(cè)電壓VMEAS等于（熱電偶）測(cè)量端接點(diǎn)和冷端接點(diǎn)之間的電壓差值。
熱電偶輸出電壓是高度非線(xiàn)性的。Seebeck系數(shù)會(huì)因?yàn)橐恍犭娕嫉倪\(yùn)行溫度區(qū)域中三個(gè)或以上的因素而有所變化。因此，您必須使用多項(xiàng)式來(lái)模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線(xiàn)或者使用查表法。
測(cè)量精度和溫度測(cè)量范圍的選擇
使用溫度在1300~1800℃，要求精度又比較高時(shí)，一般選用B型熱電偶;要求精度不高，氣氛又允許可用鎢錸熱電偶，高于1800℃一般選用鎢錸熱電偶;使用溫度在1000~1300℃要求精度又比較高可用S型熱電偶和N型熱電偶;在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶，低于400℃一般用E型熱電偶;250℃下以及負(fù)溫測(cè)量一般用T型電偶，在低溫時(shí)T型熱電偶穩(wěn)定而且精度高。
使用氣氛的選擇
S型、B型、K型熱電偶適合于強(qiáng)的氧化和弱的還原氣氛中使用，J型和T型熱電偶適合于弱氧化和還原氣氛，若使用氣密性比較好的保護(hù)管，對(duì)氣氛的要求就不太嚴(yán)格。濕度傳感器探頭,,不銹鋼電熱管PT100傳感器,,鑄鋁加熱器,加熱圈流體電磁閥
耐久性及熱響應(yīng)性的選擇
線(xiàn)徑大的熱電偶耐久性好，但響應(yīng)較慢一些，對(duì)于熱容量大的熱電偶，響應(yīng)就慢，測(cè)量梯度大的溫度時(shí)，在溫度控制的情況下，控溫就差。要求響應(yīng)時(shí)間快又要求有一定的耐久性，選擇鎧裝偶比較合適。
測(cè)量對(duì)象的性質(zhì)和狀態(tài)對(duì)熱電偶的選擇
運(yùn)動(dòng)物體、振動(dòng)物體、高壓容器的測(cè)溫要求機(jī)械強(qiáng)度高，有化學(xué)污染的氣氛要求有保護(hù)管，有電氣干擾的情況下要求絕緣比較高。
注意事項(xiàng)
熱電偶公稱(chēng)壓力：一般是指在工作溫度下保護(hù)管所能承受的靜態(tài)外壓而破裂。
熱電偶最小插入深度：應(yīng)不小于其保護(hù)套管外徑的8－10倍（特列產(chǎn)品例外）
絕緣電阻：當(dāng)周?chē)諝鉁囟葹?5－35℃，相對(duì)濕度＜80％時(shí)絕緣電阻≥5兆歐（電壓100V）。具有防濺式接線(xiàn)盒的熱電偶，當(dāng)相對(duì)溫度為93± 3℃ 時(shí)，絕緣電阻≥0.5兆歐（電壓100V）
高溫下的絕緣電阻：熱電偶在高溫下，其熱電極（包括雙支式）與保護(hù)管以及雙支熱電極之間的絕緣電阻（按每米計(jì)）應(yīng)大于下表規(guī)定的值。