一、塞贝克效应
1821年，德国物理学家托马斯·约翰·塞贝克将两种不同的金属导线首尾相连接在一起，构成一个回路。他突然发现，如果把其中的一个接点加热而另一个接点保持低温的话，回路中便出现电流，存在着热电动势。他实在不敢相信，热量施加于两种金属构成的一个接点时会有电流产生，这就是塞贝克效应，也叫热电效应，如图1所示。
图1 热电效应
二、热电偶的工作原理
将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路，如在焊接端(也称测量端)加热，将另一端(即参考端)温度保持一定(一般为0℃)，那么回路的热电动势则会成为测量端温度的单值函数。这种以测量热电动势的方法来测量温度的元件，即两种成对的金属导体，称为热电偶。
热电偶是温度测量中常用的测温元件，根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表。分度表是自由端温度在0℃时得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。热电偶的热电势将随着测量端温度升高而增长，它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关，与热电极的长度、直径无关。各种热电偶如图2所示。
图2 各种热电偶
在热电偶的应用中，存在着均质导体定律、中间导体定律、参考电极定律、连接导体定律和中间温度定律等。
三、热电偶的技术性能和类别
热电偶的测量范围宽广，一般可以从-200℃～1300℃，最大范围可以从-270℃～2800℃，装配简单、更换方便、抗震性能好、机械强度高、耐压性能好。
常用热电偶可分为标准系列热电偶和非标准系列热电偶两大类。所谓标准系列热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、最大允许误差，并有统一的标准分度表的热电偶。非标准化系列热电偶在使用范围、数量上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。我国从1988年1月1日起，热电偶全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T、N 8种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。标准系列热电偶如表1所示。
表1 标准系列热电偶材料性能
从理论上讲，任何两种不同导体(或半导体)都可以配制成热电偶，但是作为实用的测温元件，对它的要求是多方面的。为了保证工程技术中的可靠性，以及足够的测量准确度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料基本要求是:(1)在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化，有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；(2)电阻温度系数小、导电率高、比热小；(3)测温中产生热电势要大，并且热电势与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；(4)材料复制性好、机械强度高、制造工艺简单、价格便宜。
非标准系列热电偶主要有钨铼系、铱铑系、镍钼系、钯铂系、镍铬-金铁、银金-金铁等热电偶。
钨铼系热电偶的测温范围为300℃～2000℃，可延续到2500℃，适宜在惰性气体、氢气或真空中使用，目前这种热电偶已较普遍地用于高温真空冶金和科学实验中，如硬质合金真空烧结过程中的温度测量等。
镍铬-金铁热电偶在低温区域有良好的特性，可用于0℃～-217℃的宽广低温区的测量。
快速微型热电偶是一种特殊的热电偶，这种热电偶的特点是热容量小、能快速反映被测物体的温度，一般用于间断测量钢水等熔融金属的温度。当温度测出之后，热电偶也已烧毁，故又称为消耗型热电偶。但这种热电偶因其价格低廉、测量结果可靠、互换性好，目前已被广泛使用。其他的特殊热电偶还包括用于快速测温或测量热容量小的物体温度的铠装热电偶，用于测量固体表面温度的表面热电偶以及用于较高温区、价格低廉的非金属热电偶等。
四、热电偶测温技术的最新发展
寻热式热电偶又称连续热电偶或热偶式热敏电缆，是由美国发明并应用了近30年的一种新型热电偶。传统的热电偶在固定热端(点)与固定冷端(点)之间产生热电势。寻热式热电偶是利用热电偶的热电效应，能够连续自动产生其长度所及范围内(线)最高温度与固定冷端(点)之间的热电势，是一种无固定热接点的热电偶。寻热式热电偶由热电极、隔离材料和保护管三部分构成。热电极是一对平行的彼此隔开一定距离的导线，电极的分度号、材质与标准化热电偶相似，材料不同，热敏电缆的热电势与温度的关系亦不相同。热电极之间紧密填充的隔离材料是用专门工艺制成的具有负温度系数的热敏电阻材料。低温时隔离材料电阻很大，是一种绝缘体。随着温度的升高，隔离材料电阻急剧降低，热敏电阻材料是制造寻热式热电偶的关键。寻热式热电偶最外层是铠装金属保护管。
寻热式热电偶长度一般都在十几米甚至几十米，覆盖面积大，可节约大量温度传感器和电测设备，如图3所示寻热式热电偶外形。由于寻热式热电偶的独特功能，最初被发达国家作为高精技术产品铺设在航空母舰和驱逐舰的舰舱以及军用飞机等军事设备中，目前已被广泛应用到化工、机械、能源、通信、电力、食品、印刷、仓储等大面积、大范围、大空间场所以及危险区域内发热、过热现象的监测、预警等，如图4所示寻热式热电偶的应用。
图3 寻热式热电偶外形
图4 寻热式热电偶的应用
转自《中国计量》 张克 朱江