热电偶

塞贝克效应

仪器领域中应用的一个有趣现象是塞贝克效应，它是由于沿着电线的温度差异而在电线长度上产生小电压。这种效应最容易观察到，并应用于接触的两种不同金属的结，每种金属沿其长度产生不同的塞贝克电压，这转化为两个（未连接的）电线末端之间的电压。大多数任何一对不同的金属在它们的结被加热时都会产生可测量的电压，某些金属组合在每度温度下产生的电压比其他金属更高：

塞贝克效应是相当线性的；也就是说，两根导线的加热结产生的电压与温度成正比。这意味着可以通过测量产生的电压来确定金属线结的温度。因此，塞贝克效应为我们提供了一种电测温的方法。

热电偶

当一对不同的金属连接在一起以测量温度时，形成的装置称为热电偶 .用于仪器仪表的热电偶使用高纯度金属来实现准确的温度/电压关系（尽可能线性和可预测）。

塞贝克电压非常小，在大多数温度范围内只有几十毫伏。这使得它们有些难以准确测量。此外，任何 当我们尝试将热电偶连接到电压表以完成电路时，不同金属之间的结会产生依赖于温度的电压会产生问题：

测量结

由热电偶和顶部导线上的仪表之间的连接形成的第二个铁/铜结将产生与温度相关的电压，其极性与测量结处产生的电压相反。这意味着电压表铜导线之间的电压将是差值的函数 两个结点之间的温度，而不仅仅是测量结点的温度。即使对于铜不是异种金属之一的热电偶类型，连接测量仪器铜引线的两种金属的组合也形成等效于测量结的结：

参考结

第二个结点称为参考 或冷 结，以将其与测量端的结区分开来，并且无法避免在热电偶电路中使用。在某些应用中，需要进行两点之间的温差测量，而可以利用热电偶的这种固有特性来制作一个非常简单的测量系统。

然而，在大多数应用中，目的只是测量单个点的温度，在这些情况下，第二个结点成为功能的负担。

对参考结产生的电压的补偿通常由专门设计的电路执行，该电路旨在测量那里的温度并产生相应的电压以抵消参考结的影响。在这一点上，您可能想知道，“如果我们不得不求助于某种其他形式的温度测量来克服热电偶的特性，那为什么还要使用热电偶来测量温度呢？为什么不使用这种其他形式的温度测量来完成这项工作呢？”答案是这样的：因为用于参考结补偿的其他形式的温度测量不像热电偶结那样稳健或通用，但可以很好地完成参考结点室温测量的工作。例如，热电偶测量结可以插入铸造保温炉的 1800 度 (F) 烟道中，而参比结位于环境温度下一百英尺外的金属柜中，其温度由一个设备测量，该设备可以绝不能在炉子的高温或腐蚀性气氛中存活。

热电偶结点产生的电压严格取决于温度。热电偶电路中的任何电流都是与该电压相反的电路电阻的函数 (I=E/R)。换句话说，温度和塞贝克电压之间的关系是固定的，而温度和电流之间的关系是可变的，这取决于电路的总电阻。使用足够重的热电偶导体，可以从一对热电偶结点产生高达数百安培的电流！ （我实际上在实验室实验中看到了这一点，使用厚重的铜条和铜/镍合金来形成连接点和电路导体。）

出于测量目的，热电偶电路中使用的电压表设计为具有非常高的电阻，以避免沿热电偶线产生任何引起误差的电压降。沿导体长度的电压降问题在这里比前面讨论的直流电压信号更严重，因为这里我们只有几毫伏的电压由结产生。我们根本无法承受沿导体长度的哪怕一毫伏的压降，而不会导致严重的温度测量错误。

理想情况下，热电偶电路中的电流为零。早期的热电偶指示仪表采用零平衡电位电压测量电路来测量结电压。早期的 Leeds &Northrup “Speedomax”系列温度指示器/记录器就是这种技术的一个很好的例子。更现代的仪器使用半导体放大器电路，让热电偶的电压信号驱动指示装置，电路中几乎没有电流消耗。

热电堆

然而，热电偶可以用低电阻的粗线制成，并以这样的方式连接，以便产生非常高的电流，用于温度测量以外的目的。其中一个目的是发电。通过串联连接许多热电偶，在每个结点交替热/冷温度，这种设备称为热电堆 可以构造成产生大量的电压和电流：

珀耳帖效应

当左右组结处于相同温度时，每个结处的电压将相等，相反的极性将抵消为零最终电压。然而，如果左边的一组结被加热而右边的一组冷却，则每个左结的电压将大于每个右结，导致总输出电压等于所有结对差分的总和。在热电堆中，这正是事物的设置方式。热源（燃烧、强放射性物质、太阳能热等）施加到一组结点，而另一组结点连接到某种类型的散热器（风冷或水冷）。有趣的是，当电流流过连接到热电堆的外部负载电路时，热能从热端转移到冷端，证明了另一种热电现象：所谓的珀尔帖效应 （电流传递热能）。

热电偶的另一个应用是测量平均值 多个位置之间的温度。最简单的方法是将多个热电偶相互并联连接。每个热电偶产生的毫伏信号将在并联结点处平均。结之间的电压差随着热电偶线的电阻而下降：

不幸的是，这些塞贝克电压电位的准确平均依赖于每个热电偶的线电阻相等。如果热电偶位于不同的位置并且它们的导线在一个位置平行连接，则导线长度不太可能相等。从测量点到并联点的导线长度最长的热电偶往往具有最大的电阻，因此对产生的平均电压的影响最小。

多个热电偶结

为了帮助补偿这一点，可以向每个并联的热电偶电路分支添加额外的电阻，以使它们各自的电阻更加相等。如果没有为每个分支定制尺寸的电阻器（使所有热电偶之间的电阻精确相等），可以简单地安装具有相等值的电阻器，明显高于热电偶线的电阻，这样这些线电阻的影响就会小得多在总分支阻力上。这些电阻被称为swamping 电阻器，因为它们相对较高的值会掩盖或“淹没”热电偶线本身的电阻：

由于热电偶结产生如此低的电压，因此接线必须非常干净和紧密，才能准确可靠地运行。此外，参比端的位置（异种金属热电偶线与标准铜连接的地方）必须靠近测量仪器，以确保仪器能够准确补偿参比端温度。尽管有这些看似严格的要求，但热电偶仍然是现代使用中最可靠和最受欢迎的工业温度测量方法之一。

评论：

• 塞贝克效应 是在两个不同的连接金属之间产生的电压与该结点的温度成正比。
• 在任何热电偶电路中，不同金属之间都会形成两个等效结。放置在预期测量位置的连接点称为测量 结点，而另一个（单个或等效的）结点称为参考
• 两个热电偶结点可以相对连接，以生成与两个结点之间的温差成正比的电压信号。以发电为目的而连接的节点的集合称为热电堆 .
• 当电流流过热电堆的结点时，热能会从一组结点转移到另一组结点。这被称为珀尔帖效应 .
• 多个热电偶结点可以相互并联，以生成表示结点之间平均温度的电压信号。 “Swamping”电阻器可以与每个热电偶串联，以帮助保持结点之间的相等性，因此所得电压将更能代表真实的平均温度。
• 热电偶电路中的电流必须尽可能低，以获得良好的测量精度。此外，所有相关的电线连接都应该干净且紧密。电路中任何地方的微小电压降都会导致大量测量误差。