主要观点：1. 热电偶的原理分析由热电效应[1]可知，两种不同金属导体两端分别接在一起构成闭合回路，当两个结点温度不等时，回路里会产生热电势热电偶中的热电势由两部分组成：一是接触电势；二是温差电势工作原理如图一所示：图1.11.1 接触电势设热电偶电极是由材料 A 和材料 B 所组成，并假定材料A 的电子浓度为 NA，材料 B 的电子浓度为 NB，且 NA＞NB由于电子的浓度差，在热端处导体 A 中的电子向导体 B 扩散，导体 A 因失去电子带正电，导体 B 得到电子带负电，因此形成电势 EAB(T)，极性如图 2 所示:同理，由于电子的浓度差，在冷端处导体 A 中的电子向导体 B 扩散，导体 A 因失去电子带正电，导体 B 得到电子带负电，因此形成电势 EAB(T)，极性如图 3 所示图 3 热电偶冷端接触电势1.2温差电势如果不设置参考点,那么两个接点都成为测量点,所得到的读数就是电路中这两个接点的温差值.这就是温差热电偶的原理,也称为Delta一T热电偶这样,一个接点就成为另一个接点的参考点,参考点的温度可以固定或随时间而变化图4就是利用热电偶测量温差的原瑰图应该注意的是,在联线时要把两支热电偶的正极(或负极)联在一起,其余两端联到测量仪表上。
理想情况是希望两支热电偶都不接地,如果做不到,也只能是一支接地,而另一支则不能接地.铂果使用的仪表,其零位不在刻度盘的中间,则可以这样联接:使冷端接到仪表上保证输出为正值并且使读数准确如果冷端接点的温度高于另一个接点,输出的极性就要改变.表1给出了几种常用热电偶两端温差为16.““C时的一些典型输出.T1TZ表1、普通热电偶在几个基准温度下其温度间隔为16,“C时的校准值图4利用热电偶测量温差的原瑰图表12热电偶的非.线性化不同的金属导体,其自由电子的密度不同当两种不同导体A与B接触时,由于自由电子的扩散将产生电势差,称为接触电势差eAB,接触电势与自由电子的密度NA和NB及温度有关:式中 K——玻耳兹曼常数 e——电子电量当两种导体构成的热电偶其两端温度不等时,热电偶的热电势通常表示为如下形式:式中 SA、SB——金属A、B所具有的热电势,通常热电势S是温度的函数由式(1)及(2)不难看出,热电偶的热电势与温度之间的关系一般不呈线性关系如图1所示图5 各种热电偶的热电势与温度关系图2.1热电偶信号的非线性校正热电偶的输出热电势与温度的关系中存在着非线性,国际上规定了这关系的标准修正表格。
新温度标准ITS)90已于1989年建立,但实际上,仍有许多旧温标IPTS)68类仪表在使用所以本仪器模拟上述两温标中的各八种常用热电偶类型,即将16种热电偶的温度-热电势表存入仪器中进行相应的线性修正由于热电偶工作温度范围较广,约在0~2000e之间,而仪器的分辨率较小为011e,采用一般的表格和查表方法难以在单片机实现这么大的数据存储要求,为此将查表方法和表的结构进行了统一的设计表格数据的设置是根据分辨率要求和线性插值能达到的精度选择最大的2个数据之间的间隔,其间没有多余的数据,从而使表的数据量达到最少按照这一思路,利用IPTS)68和ITS)90两种温标给出的多项式数学模型设计了相应的表格,其数据量为常见的分度表形式的十分之一以下程序采用的方法是根据采样值E查对应的热电势表得到Ei,Ei+1(EiFEFEi+1)和对应的温度值(ti,ti+1)这样对应的温度值t的表达式为同样,当仪器处于模拟输出方式时,是根据温度值t查输出热电势E,其公式2.2参比端温度补偿由于测量时热电偶参比端直接连接本仪器,其参比端温度即仪器连接头的温度,该温度的变化会使热电势发生变化,应进行补偿为此仪器设有由AD590精密半导体测温传感器组成的测温电路对仪器连接头附近的温度进行测量。
程序中根据测量到的这温度实现对热电势的补偿 E(t,0) = E(t,tn)+E(tn,0) (5)式中:t为热电偶测量端温度;tn为参比端温度;E(t,0),E(t,tn)及E(tn,0)为对应温度范围的热电势3.热电偶的反向原理及其应用3.1均质材料定理：由同一种均质材料（导体或半导体）两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成若热电极材料不均匀，由于温度梯度存在，将会产生附加热电势3. 2，中间导体定律 在热电偶回路中接入中间导体（第三导体），只要中间导体两端温度相同，中间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律 应用:依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统 有人担心用铜导线连接热电偶冷端到仪表读取mV值，在导线与热电偶连接处产生的接触电势会使测量产生附加误差根据这个定律，是没有这个误差的！ 3. 3，中间温度定律 热电偶回路两接点（温度为T、T0）间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。
Tn称中间温度 应用:由于热电偶E-T之间通常呈非线性关系,当冷端温度不为0摄氏度时，不能利用已知回路实际热电势E（t,t0)直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回路实际热电势E（t,t0)直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度值，需按中间温度定律进行修正 [1] 孙传友,孙晓斌.感测技术基础[M].北京:电子工业出版社,2001,8.。