如何实现热电偶的测温原理？

若某闭合回路由两种不同的导体（或半导体）A和B组成，两个接点所处的环境温度不同，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称作热电动势效应。这两种不同导体的组合称为热电偶，如图8.1-1所示。两个接点1、2所处的环境温度分别为T、T0，T＞T0。1端一般电焊而成，置于测温处，称其为工作端或热端；2端一般进行恒温处理，或使它处于某种环境温度中，称其为参考端或冷端。由于两端的温度不同，会产生热电动势，热电动势由两部分组成：接触电动势和温差电动势。

（1）两种导体的接触电动势。两种不同导体A、B接触时，由于两者电子密度不同，假设A的电子密度比B的电子密度大（NA＞NB），电子在两个方向上的扩散的速率不同，从A到B的电子数要比从B到A的电子数多，A由于失去电子而带正电荷，B由于得到电子而带负电荷，在A到B的接触面C、D上形成静电场ES，如图8.1-2（a）所示，由此而形成的电位差UA-UB称作接触电动势。其数值取决于两种不同导体的性质和接触点的温度。

根据物理电子学知识，可得

图8.1-1　热电偶回路

图8.1-2　接触电动势和温差电动势

式中 eAB（T）、eAB（T0）——导体A和B的接点在温度T和T0时形成的电位差；

　　 NAT、NAT0——A导体在接点温度为T和T0时的电子密度；

　　 NBT、NBT0——B导体在接点温度为T和T0时的电子密度。

如果A导体和B导体的材料相同（或NA＝NB），尽管热电偶两端的温度不同（T≠T0），也不会产生接触电势。

（2）单一导体的温差电动势。同一导体的两端因其温度不同而产生一种热电动势。由于高温端的电子能量比低温端的电子能量大，从高温端移动到低温端的电子数比从低温端移动到高温端的电子数多，高温端失去电子而带正电荷，低温端得到电子而带负电荷，从而形成静电场。此时，导体两端产生的电位差称作温差电动势，或称汤姆逊电势，见图8.1-2（b）。这个电势由下式计算为

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图8.1-3　热电偶回路的热电势

式中 σA、σB——导体A和B的汤姆逊系数。

当导体两端的温度相同（T＝T0）时，无论材料尺寸大小，其两端的热差电势总是等于零的。

（3）热电偶热电势。图8.1-3为热电偶回路的热电势。根据以上分析的结果，可得热电偶回路产生的总电动势为

从上式可以看出：热电势的大小与热电偶尺寸、形状及沿热电极温度分布无关，只与材料和端点温度有关。

总电动势EAB（T，T0）取决于eAB（T）的方向，因为温差电动势比接触电动势小，又T＞T0，在总电动势EAB（T，T0）中，eAB（T）所占的比重最大。忽略温差电势后，由式（8.1-5）可得

所以，总电动势EAB（T，T0）与电子密度NA、NB及两接点温度T，T0有关。电子密度NA、NB并非常值，随温度的变化而变化，当其材料一定时，总电动势EAB（T，T0）为温度T、T0的函数差。即

如果使冷端温度T0固定（可取0℃），或即使T0在一定范围内改变时，采取一些办法把T0的变化对总热电动势的影响消除，则对一定材料的热电偶，其总热电动势EAB（T，T0）成为温度T（一般为工作端）的单值函数为

式中 C——由T0决定的常数。

所以，当T0恒定时，只要测出总热电动势EAB（T，T0），则热端温度T就是已知的。