上海自動化儀表四廠詳解熱電偶的工作原理

熱電偶是利用物理學中的熱電現象（塞貝克效應，1821年）制成的測溫傳感器。上海自動化儀表四廠指出當兩種不同材料的導體（或半導體）A和B構成閉合回路時，如果兩個接觸端溫度不同時（分別為T 和T0），回路中將產生電流，這種現象稱為熱電現象。相應產生的電動勢稱為熱電動勢，AB構成的閉合回路稱為熱電偶，如圖2-11所示其中了為測量端（熱端、工作端），T0稱為參比端(冷端、自由端）。

物理學指出，熱電動勢由接觸電動勢和溫差電動勢組成。

一、接觸電動勢

接觸電動勢就是由于導體材料內部自由電子密度不同，當兩種不同導體相互接觸時接點處產生的電動勢。因為自由電子從密度大的導體擴散到密度小的導體中，失去電子的導體呈陽性，獲得電子的導體呈陰性，因此又形成了一個內部電場，此電場阻礙自由電子的進一步擴散運動。當電場力與擴散力達到平衡時，接點處形成一定的電位差，即接觸電動勢（也叫珀爾帖電動勢)。

設T大于T0，且A材料中的自由電子密度NA大于B材料中的自由電子密虔NB。 當A和B構成熱電偶時，在接點處A、B材料間電子擴散運動的示意圖如圖2 - 12 所示。

接觸電動勢的數值可用式（2-8)表示，即

式中K——波爾茲曼常數，1.38X10-23J/K;

     T——接點溫度；

     e——單位電荷數，4. 802X10-10絕對靜電單位；

NA.NB——導體A、B在溫度T時的自由電子密度。

二、溫差電動勢

溫差電動勢是指同種材料導體由于兩端溫度不同產生的熱電動勢。假設T>T0溫度高的一側自由電子能量大，因此電子擴散時從高溫端移向低溫端的數量多，返回的數量少， 形成的內部電場力與擴散力平衡時，導體呈電性，產生溫差電動勢一也叫湯姆遜電動勢.如 圖2-13所示。

溫差電動勢的數值

式中，δ——湯姆遜系數，表示溫差為1℃時所產生的電動勢，它與材料的性質有關；

        e(T)——只與導體性質及溫度有關，與導體長度、截面積及溫度分布無關。

三、熱電偶回路的總電動'勢

熱電偶回路總電動勢就是溫差電動勢與接觸電動勢的綜合效應，設T>T0，NA＞NB,如圖2-14所示。

則回路總電動勢

即

由式（2-11)可得出如下結論：若電極A、B為同一種材料（NA=NB，δA=δB），則無論溫度如何，回路總電動勢始終為0;若T=T0,則無論電極A、B材料是否相同，回路總電動勢始終為0。

回路總電動勢還可以寫成如下等效表達形式

也就是說：①熱電動勢是溫度函數之差，而不是溫差的函數；若T0恒定，則熱電動勢與T呈一一對應關系；②熱電動勢大小只與導體材質和接點溫度相關，而與形狀、接觸面積無關；③熱電極的極性規定，電子密度大的電極為正；熱電動勢符號中電極和溫度順序互換一次，電動勢變一次符號。

同樣，若三種材料A、B、C構成閉合回路，接點溫度分別是：AB接點T，BC接點T0, CA接點T1，則回路總電動勢可表示成

若三個接點溫度相同（假設為T0)

則有

證明：