上海自动化仪表四厂详解热电偶的工作原理

热电偶是利用物理学中的热电现象（塞贝克效应，1821年）制成的测温传感器。上海自动化仪表四厂指出当两种不同材料的导体（或半导体）A和B构成闭合回路时，如果两个接触端温度不同时（分别为T 和T0），回路中将产生电流，这种现象称为热电现象。相应产生的电动势称为热电动势，AB构成的闭合回路称为热电偶，如图2-11所示其中了为测量端（热端、工作端），T0称为参比端(冷端、自由端）。

物理学指出，热电动势由接触电动势和温差电动势组成。

一、接触电动势

接触电动势就是由于导体材料内部自由电子密度不同，当两种不同导体相互接触时接点处产生的电动势。因为自由电子从密度大的导体扩散到密度小的导体中，失去电子的导体呈阳性，获得电子的导体呈阴性，因此又形成了一个内部电场，此电场阻碍自由电子的进一步扩散运动。当电场力与扩散力达到平衡时，接点处形成一定的电位差，即接触电动势（也叫珀尔帖电动势)。

设T大于T0，且A材料中的自由电子密度NA大于B材料中的自由电子密虔NB。 当A和B构成热电偶时，在接点处A、B材料间电子扩散运动的示意图如图2 - 12 所示。

接触电动势的数值可用式（2-8)表示，即

式中K——波尔兹曼常数，1.38X10-23J/K;

     T——接点温度；

     e——单位电荷数，4. 802X10-10绝对静电单位；

NA.NB——导体A、B在温度T时的自由电子密度。

二、温差电动势

温差电动势是指同种材料导体由于两端温度不同产生的热电动势。假设T>T0温度高的一侧自由电子能量大，因此电子扩散时从高温端移向低温端的数量多，返回的数量少， 形成的内部电场力与扩散力平衡时，导体呈电性，产生温差电动势一也叫汤姆逊电动势.如 图2-13所示。

温差电动势的数值

式中，δ——汤姆逊系数，表示温差为1℃时所产生的电动势，它与材料的性质有关；

        e(T)——只与导体性质及温度有关，与导体长度、截面积及温度分布无关。

三、热电偶回路的总电动'势

热电偶回路总电动势就是温差电动势与接触电动势的综合效应，设T>T0，NA＞NB,如图2-14所示。

则回路总电动势

即

由式（2-11)可得出如下结论：若电极A、B为同一种材料（NA=NB，δA=δB），则无论温度如何，回路总电动势始终为0;若T=T0,则无论电极A、B材料是否相同，回路总电动势始终为0。

回路总电动势还可以写成如下等效表达形式

也就是说：①热电动势是温度函数之差，而不是温差的函数；若T0恒定，则热电动势与T呈一一对应关系；②热电动势大小只与导体材质和接点温度相关，而与形状、接触面积无关；③热电极的极性规定，电子密度大的电极为正；热电动势符号中电极和温度顺序互换一次，电动势变一次符号。

同样，若三种材料A、B、C构成闭合回路，接点温度分别是：AB接点T，BC接点T0, CA接点T1，则回路总电动势可表示成

若三个接点温度相同（假设为T0)

则有

证明：