第5节 热电偶(修订中)
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# 1. 塞贝克效应
应用于仪器仪表领域的一个有趣现象是塞贝克效应 (opens new window)，它是由于沿导线的温度差异而在导线长度上产生小电压。这种效应最容易观察到，并通过两种不同金属接触的结点应用，每种金属沿其长度产生不同的塞贝克电压，这会转化为两个（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，一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，两根电线的加热结产生的电压与温度成正比。这意味着金属线结的温度可以通过测量产生的电压来确定。因此，塞贝克效应为我们提供了一种电测温度的方法。
# 2. 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为几十毫伏。这使得它们难以准确测量。此外，当我们尝试将热电偶连接到电压表 (opens new window)并完成电路时，不同金属之间的_任何_结都会产生与温度相关的电压这一事实会产生问题： (opens new window)
# 3. 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/铜结将产生一个与温度相关的电压，其极性与测量结处产生的电压相反。这意味着电压表铜引线之间的电压将是两个结之间温差的函数_，_而不仅仅是测量结处的温度。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会形成与测量结等效的结：
# 4. 参考结
第二个结称为_参考_结或_冷_结，以区别于测量端的结，并且没有办法避免在热电偶电路中有一个。在某些应用中，需要在两点之间进行温差测量，并且可以利用热电偶的这种固有特性来制作非常简单的测量系统。
然而，在大多数应用中，其目的是仅测量单个点的温度，在这些情况下，第二个结成为功能障碍。
对基准结产生的电压的补偿通常由一个特殊电路执行，该电路设计用于测量那里的温度并产生相应的电压以抵消基准结的影响。在这一点上，您可能会想，“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，那么为什么还要费心使用热电偶来测量温度呢？为什么不直接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如热电偶结强大或通用，但可以很好地测量参考结位置的室温。例如，
热电偶结产生的电压严格取决于温度。热电偶电路中的任何电流 (opens new window)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，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，使用铜和铜/镍合金的重棒来形成结和电路导体。）
出于测量目的，热电偶电路中使用的电压表被设计为具有非常高的电阻，以避免沿热电偶导线出现任何导致误差的电压降。沿导体长度的电压降问题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结产生的电压。我们根本无法承受沿导体长度的哪怕是一毫伏的压降，而不会导致严重的温度测量误差。
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利用零平衡电位电压测量 (opens new window)电路来测量结电压。早期的 Leeds & Northrup “Speedomax” 系列温度指示器/记录仪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 (opens new window)，以允许热电偶的电压信号驱动指示装置，电路中消耗的电流很少或没有。
# 5. 热电堆
然而，热电偶可以由粗线制成以实现低电阻，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。一个这样的目的是发电。通过串联连接许多热电偶，在每个结点交替冷热温度，可以构建称为_热电堆_的设备以产生大量电压和电流：
# 6. 珀耳帖效应
在相同温度下的左、右组结的情况下，每个结处的电压将相等，相反的极性将抵消至最终电压为零。但是，如果左侧结组被加热而右侧结被冷却，则每个左侧结处的电压将大于每个右侧结，导致总输出电压等于所有结对差分的总和。在热电堆中，这正是设置的方式。热源（燃烧、强放射性物质、太阳热等）应用于一组接头，而另一组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，珀耳帖效应（电流传递热能）。
热电偶的另一个应用是测量几个位置之间的_平均温度。_最简单的方法是将多个热电偶相互并联。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：
然而不幸的是，这些塞贝克电压电位的准确平均依赖于每个热电偶的导线电阻是否相等。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，则不太可能具有相等的导线长度。从测量点到并联连接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。
# 7. 多个热电偶结
为了帮助补偿这一点，可以向每个并联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 (opens new window)（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，显著高于热电偶线的电阻，这样这些线电阻的影响就会小得多关于总支路电阻。这些电阻器被称为_沼泽_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，因此电线连接必须非常干净和紧密，以实现准确和可靠的操作。此外，参考结的位置（异种金属热电偶线与标准铜连接的位置）必须靠近测量仪器，以确保仪器能够准确补偿参考结温度。尽管有这些看似限制性的要求，但热电偶仍然是现代使用中最强大和最流行的工业温度测量方法之一。
# 8. 总结
- _塞贝克效应_是两种不同的连接金属之间产生的电压，该电压与该结的温度成正比。
- 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结称为_测量_结，而另一个（单个或等效）结称为_参考_结。
- 两个热电偶结可以彼此相对连接，以产生与两个结之间的温差成比例的电压信号。为了发电而连接的一组接头称为_热电堆_。
- 当电流流过热电堆的结点时，热能从一组结点转移到另一组结点。这被称为_珀尔帖效应_。
- 多个热电偶结可以相互并联以产生代表结之间平均温度的电压信号。“沼泽”电阻器可以与每个热电偶串联，以帮助保持结之间的相等性，因此所得电压将更能代表真实的平均温度。
- 为了获得良好的测量精度，热电偶电路中的电流必须保持尽可能低。此外，所有相关的电线连接都应该干净且紧密。电路中任何位置的仅毫伏电压降都会导致严重的测量误差。