熱電偶的工作原理是什么？

熱電偶是一種感溫元件，它能夠把溫度轉化為電勢（電壓）信號。它的名字中帶有一個“偶”字，正是因為用到了兩種金屬來實現溫度的測量。這兩種金屬通常都是合金，顯然一種合金（如鎳鉻合金）只能算一種金屬（聽起來像廢話）。

我們都知道，金屬內部通常存在大量可以自由移動的電子，這是金屬導電性的來源。不同種類的金屬通常內部自由電子的密度不相同，假設金屬A內部的自由電子密度更大，那么這些電子在金屬表面的“壓強”也就越大。

當我們讓A和B相互接觸時，兩種金屬內部的自由電子就會在接觸面相互擴散。由于金屬A中電子的“壓強”更大，擴散能力也更強，最后平衡態的結果是金屬A中的電子更多地轉移到了金屬B中，導致金屬A帶正電，金屬B帶負電，在接觸面就產生了接觸電勢e_AB 

圖 1 不同種類的金屬在接觸面產生接觸電勢

這與溫度測量有什么關系呢？事實上接觸電勢的大小不僅與接觸材料的種類有關，還與溫度有關，溫度越高，接觸電勢e_AB也就越高，通過測量它的大小就能知道接觸點的溫度了，這就是熱電偶的工作原理，本文結束。

（手動壞笑）

我們如何測量接觸電勢e_AB的大小呢？一個最簡單的思路就是將這兩種金屬的另一頭也連起來，然后在回路中接入一個電壓表。

圖 2 將兩種不同的金屬A、B首尾相接構成回路，直接在t₀處接入電壓表也是等效的

顯然，這個電壓表測量的是t點和t₀點之間的電勢差：

E_M=e_AB(t)-e_AB(t₀)

也就是說，測量的結果不僅受到測溫點的溫度t的影響，還受到另一端（通常稱為冷端）的溫度t₀的影響。

在實踐中，人們通常將冷端溫度t₀設置為0℃，再不斷改變t點的溫度并測量電勢差E_M

，這樣就得到了一組熱電偶的特性曲線。

圖 3 不同型號熱電偶的特性曲線，其中K型為最常見的鎳鉻-鎳硅熱電偶

有了特性曲線，我們就能根據回路中輸出的電壓值來反推測量點的溫度了。然而麻煩還沒有結束，特性曲線是在冷端溫度t₀=0℃下繪制的，難道我們每次測量溫度，現場都要準備一盆冰水混合物，再把熱電偶冷端插進去嗎？

圖 4 冰水混合物

雖然極少數情況下真的會這樣做，但大多數時候我們都會針對實際的冷端溫度進行修正。一個最簡單粗暴的手段就是默認冷端溫度為室溫20℃，當儀表檢測到測試點輸出的電壓后，只需減去20℃輸出的電壓值，剩下的電壓值對應的溫度就是測量點的溫度了。

圖 5 一種常見的熱電偶接線方式，其中t₀`為現場環境溫度，t₀為冷端溫度

當然實際現場溫度不可能總是20℃，如果我們對測量精度要求較高，就需要給儀表加上溫度補償的功能，或者把導線延長到一個恒溫的環境中，而這又涉及到補償導線的問題。什么是補償導線？為什么需要補償導線？為了避免文章又香又長（？），這部分內容就放到下一篇來介紹啦。