7.0 热电偶的工作原理
在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和输出信号便于远传等许多优点。另外，由于热电偶是一种无源传感器，测量时不需外加电源，使用十分方便，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度
热电偶的技术优势：热电偶测温范围宽，性能比拟稳定；丈量精度高，热电偶与被测对象直接接触，不受中间介质的影响；热响应时间快，热电偶对温度变化反响灵活；丈量范围 大，热电偶从-40~+ 1600℃ 均可连续测温；热电偶性能牢靠， 机械强度好。运用寿命长，装置便当
一、塞贝克效应（Seebeck effect）
当两种不同材质的导体（或半导体）A和B组成一个闭合回路时，如果两个连接点的温度不同（一端为热端，另一端为冷端），回路中就会产生一个持续的电动势（电压），从而形成电流。这个现象被称为塞贝克效应，产生的电动势称为热电势。
热电势的产生机理是什么？（即接触点处电子从一种金属进入另一种金属的原因是什么？）
原因之一是电子的逸出功不同，逸出功较小的金属失去电子变成正电。这样在分界面上就形成电场。
原因之二是电子浓度不同，电子会从电子浓度大的地方向电子浓度小的地方扩散
【备注】电子浓度：是塞贝克系数（或称热电势率） 的主要决定因素。它直接决定了灵敏度，即每度温差能产生多大的电压（μV/°C）。这是热电效应的“发动机”。
可见热电动势U与材料AB有关（比例系数kab)，且与温度差(T1-T0)有关。
为了避免给出所有两两之间的比例系数,有些资料上给出了各材料相对于铂Pt的比例系数
| 材料X | 比例系数 |
| 康铜 | -3.47... -3.04 |
| 镍 | -1.9 |
| 铂 | 0 |
| 钨 | 0.7 |
| 铜 | 0.7 |
| 铁 | 1.9 |
| 镍铬 | 2.2 |
| 硅 | 44 |
二、热电偶类型
热电偶分度号 | 热电极材料 | ||
正极 | 负极 | ||
S | 铂铑 10 | 纯铂 | 0°C ~ +1600°C |
R | 铂铑 13 | 纯铂 | 0°C ~ +1600°C |
B | 铂铑 30 | 铂铑 6 | 0°C ~ +1800°C |
K | 镍铬 | 镍硅 | -200°C ~ +1300°C |
T | 纯铜 | 铜镍 | -200°C ~ +350°C |
J | 铁 | 铜镍 | -40°C ~ +750°C |
N | 镍铬硅 | 镍硅 | |
E | 镍铬 | 铜镍 | -200°C ~ +900°C |
| 热电偶代号 | 允差范围 | ||
| 1 | 2 | 3 | |
S、R | 1度 或1+0.003(tmax-1100) | 1.5度 或0.0025tmax | - |
B | - | 1.5度 或0.0025tmax | 4度 或0.005tmax |
| T | 0.5度 或0.004max | 1度 或0.0075max | |
| JEKN | 1度 或0.004tmax | 2.5度 或0.0075tmax | |
三、热电偶的冷端补偿
热电偶的工作原理是塞贝克效应，它产生的热电势（电压）大小取决于其测量端（热端） 和参考端（冷端） 之间的温度差（ΔT），而不是热端的绝对温度。
核心问题：仪表测量到的电压值 V_measured 对应的是 (T_hot - T_cold)。如果 T_cold 波动，即使 T_hot 纹丝不动，V_measured 也会变化，导致测量值失准。
冷端补偿的目的就是消除冷端温度（T_cold）变化带来的误差，从而计算出热端的真实绝对温度（T_hot）。
在热电偶接入测量系统（如PLC、DCS、数据采集卡）的接线端子处，安装一个高精度的半导体温度传感器（如PT100铂电阻、DS18B20等），专门用来实时测量冷端的实际温度 T_cold。
测量系统执行以下算法：
1. 读取热电偶的原始电压值 V_raw。
根据该热电偶类型（K型、J型等）的分度表，将 V_raw 转换为一个温度值 T_raw。请注意，这个 T_raw 其实是 (T_hot - T_cold) 的差值。
2. 同时，读取冷端传感器测得的 T_cold。
3.最后进行加法计算：T_hot (真实值) = T_raw + T_cold
【备注】一般的PLC模块都具有内部补偿功能。必须要额外增加传感器
| 模块型号 | 通道数 | 主要特性 |
|---|---|---|
| 6ES7231-5QD32-0XB0 | 4 | SM 1231 AI 4xTC，支持J, K, T, E, R, S, N, C, B型热电偶。支持内部/外部补偿。 |
| 6ES7 231-5QF32-0XB0 | 8 | SM 1231 AI 8xTC，支持的热电偶类型同上，是S7-1200系统中通道数最多的TC模块。 |
四、热电偶的延长线
热电偶通常安装在高温、恶劣的现场环境（如炉膛、管道），而测量仪表（如PLC、控制器）往往在几十米甚至上百米外的控制室。不可能用昂贵的热电偶丝本身来铺设这么长的距离。 延长线的作用：将热电偶产生的热电势信号，从安装现场经济、可靠地传输到远端的测量仪表，而不引入显著的误差。
延长线核心要求：延长线必须在一定的温度范围内（通常是0-100°C），具有与它所连接的热电偶完全相同的热电特性。这意味着，如果在延长线的两端产生温差，它自身产生的热电势必须和原热电偶丝产生的完全一致。这样，延长线就相当于“透明”的，仿佛把热电偶的冷端“延长”到了控制室的接线端子处。
延长线通常由比热电偶本体更廉价的金属材料制成，但其热电特性在常温区与热电偶高度匹配，例如，K型热电偶的延长线会用较便宜的铜镍合金来模拟镍铬和镍硅在低温下的特性。
延长线有正负极之分，通常用颜色编码来区分，并且其颜色标准与热电偶本身不同，以防误接
【备注】重要注意事项
绝不能混用：必须使用与热电偶分度号完全匹配的延长线。用J型的延长线接K型热电偶会产生巨大误差。
温度限制：延长线只能在较低的温度范围（通常-20°C 到 100°C）内使用。绝不能将其用于高温区域，否则会因热电特性不匹配而失效并损坏。
极性正确：必须正接正，负接负。接反了会导致信号为负。
连接点温度：理想情况下，延长线与热电偶本体的连接点（即新的冷端）的温度应保持一致。如果这个连接点两端的温度不同，就会引入误差。