接触式测温仪，尤其是热电偶温度计，广泛用于工业和科学领域中的温度测量。热电偶的工作原理基于热电效应（又称塞贝克效应）。通过两个不同材料的导体在温差作用下产生电动势，热电偶能够精确地将温度变化转化为可测量的电信号。

1. 塞贝克效应

塞贝克效应是热电偶工作的基础。具体来说，当两种不同的金属或合金在接触点之间存在温差时，它们之间会产生电动势（电压）。这个电动势的大小与温差成正比。

热电偶产生的电动势$E$E 可以表示为：

$$E = S \cdot \Delta T$$E=S⋅ΔT

其中：

• $E$E 是热电偶两端产生的电动势（单位：伏特，V）

• $S$S 是热电偶材料的热电势系数（单位：伏特/摄氏度，V/°C）

• $\Delta T$ΔT 是热端与冷端的温差（单位：摄氏度，°C）

2. 热电偶结构

热电偶通常由两种不同的金属或合金导体组成。这两种金属的选择决定了热电偶的类型，如 K 型、J 型、T 型等。

• 热端：是热电偶接触待测物体的部分，通常用于测量温度。

• 冷端：是热电偶的另一端，通常与温度传感器或测量设备连接，并保持在已知温度（如0°C或环境温度）。

热电偶通过这两种金属导体的接触点产生电动势，从而实现温度测量。

3. 工作原理

热电偶的工作原理是基于温差电动势。当热端与冷端之间有温差时，金属接点处会因温度差产生电动势。这个电动势的大小与温差成正比，因此可以通过测量电动势来计算温度。

具体过程如下：

• 温差作用：热端与冷端存在温差，热端的温度与冷端的温度不同。

• 产生电动势：两种不同金属的接触点会因温差而产生电动势。

• 电动势的测量：测量设备检测到电动势并根据其大小转换为温度。

需要注意的是，温度与电动势之间的关系通常是非线性的。因此，热电偶的输出电压与温度之间需要通过查表或数学模型进行转换。

4. 冷端补偿

由于热电偶测量的是热端和冷端的温差，而不是直接的温度值，因此冷端补偿是非常重要的。冷端温度的变化会直接影响测量的准确性。

常见的冷端补偿方法有：

• 冷端补偿电路：使用冷端补偿电路来动态补偿冷端温度的变化。

• 已知冷端温度：假设冷端温度已知（例如，室温为25°C），然后通过电路或软件修正计算结果。

5. 常见热电偶类型

根据热电偶使用的金属组合的不同，常见的热电偶类型包括：

• K型热电偶：由铬铁合金（Chromel）与铝铁合金（Alumel）组成，适用温度范围广，常用于工业中。

• J型热电偶：由铁与铜合金（Constantan）组成，适用于低温到较高温的测量。

• T型热电偶：由铜与铜合金组成，适用于低温测量。

• E型热电偶：由铜与康铜合金（Constantan）组成，输出电压较高，适合高精度测量。

6. 热电偶的优点与缺点

优点：

• 广泛的温度范围：热电偶能够测量极低至极高的温度，范围从-200°C到几千°C，适应极端温度环境。

• 响应速度快：由于其结构简单，热电偶的反应速度非常快，适合快速的温度测量。

• 结构简单，成本低廉：热电偶的设计较为简单，生产成本相对较低，且能够在许多恶劣环境中使用。

缺点：

• 非线性：热电偶的输出电压与温度之间的关系通常是非线性的，因此必须通过查表或进行校准来得到准确的温度值。

• 精度有限：相对于其他温度传感器（如RTD），热电偶的精度较低，通常适用于对精度要求不是特别高的场合。

• 易受电磁干扰：由于热电偶产生的电动势较小，它们在使用时容易受到外部电磁干扰，需要特别注意电磁屏蔽和抗干扰设计。

总结

热电偶通过塞贝克效应利用两种不同金属材料在温差下产生的电动势来测量温度。热电偶具有广泛的温度测量范围和较快的响应速度，但由于其非线性特性，通常需要通过查表或校准来确保准确性。尽管精度相对较低，但其简单的结构和较低的成本使其在许多工业和科学应用中得到广泛使用。