热电偶的工作原理是什么？

热电偶是一种感温元件，它能够把温度转化为电势（电压）信号。它的名字中带有一个“偶”字，正是因为用到了两种金属来实现温度的测量。这两种金属通常都是合金，显然一种合金（如镍铬合金）只能算一种金属（听起来像废话）。

我们都知道，金属内部通常存在大量可以自由移动的电子，这是金属导电性的来源。不同种类的金属通常内部自由电子的密度不相同，假设金属A内部的自由电子密度更大，那么这些电子在金属表面的“压强”也就越大。

当我们让A和B相互接触时，两种金属内部的自由电子就会在接触面相互扩散。由于金属A中电子的“压强”更大，扩散能力也更强，最后平衡态的结果是金属A中的电子更多地转移到了金属B中，导致金属A带正电，金属B带负电，在接触面就产生了接触电势e_AB 

图 1 不同种类的金属在接触面产生接触电势

这与温度测量有什么关系呢？事实上接触电势的大小不仅与接触材料的种类有关，还与温度有关，温度越高，接触电势e_AB也就越高，通过测量它的大小就能知道接触点的温度了，这就是热电偶的工作原理，本文结束。

（手动坏笑）

我们如何测量接触电势e_AB的大小呢？一个最简单的思路就是将这两种金属的另一头也连起来，然后在回路中接入一个电压表。

图 2 将两种不同的金属A、B首尾相接构成回路，直接在t₀处接入电压表也是等效的

显然，这个电压表测量的是t点和t₀点之间的电势差：

E_M=e_AB(t)-e_AB(t₀)

也就是说，测量的结果不仅受到测温点的温度t的影响，还受到另一端（通常称为冷端）的温度t₀的影响。

在实践中，人们通常将冷端温度t₀设置为0℃，再不断改变t点的温度并测量电势差E_M

，这样就得到了一组热电偶的特性曲线。

图 3 不同型号热电偶的特性曲线，其中K型为最常见的镍铬-镍硅热电偶

有了特性曲线，我们就能根据回路中输出的电压值来反推测量点的温度了。然而麻烦还没有结束，特性曲线是在冷端温度t₀=0℃下绘制的，难道我们每次测量温度，现场都要准备一盆冰水混合物，再把热电偶冷端插进去吗？

图 4 冰水混合物

虽然极少数情况下真的会这样做，但大多数时候我们都会针对实际的冷端温度进行修正。一个最简单粗暴的手段就是默认冷端温度为室温20℃，当仪表检测到测试点输出的电压后，只需减去20℃输出的电压值，剩下的电压值对应的温度就是测量点的温度了。

图 5 一种常见的热电偶接线方式，其中t₀`为现场环境温度，t₀为冷端温度

当然实际现场温度不可能总是20℃，如果我们对测量精度要求较高，就需要给仪表加上温度补偿的功能，或者把导线延长到一个恒温的环境中，而这又涉及到补偿导线的问题。什么是补偿导线？为什么需要补偿导线？为了避免文章又香又长（？），这部分内容就放到下一篇来介绍啦。