熱電偶測(cè)量原理

溫度，無(wú)論是在工業(yè)還是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中都屬于很普遍又很重要的指標(biāo)。測(cè)量溫度信號(hào)使用各種類型的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，如熱電偶（TC）、熱電阻（RTD）、熱敏電阻（NTC）等。本文主要介紹熱電偶測(cè)量原理及其類型，以及對(duì)熱電偶選取的簡(jiǎn)單介紹。

一、何為熱電偶

兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體（通常稱為熱點(diǎn)極）兩端接合（接合點(diǎn)A與B）形成回路時(shí)候，當(dāng)兩端的接合點(diǎn)TA≠TB時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)溫度差變化引起電動(dòng)勢(shì)的變化稱為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)又被稱為熱電勢(shì)，如圖 1所示。由于該熱電勢(shì)是由兩種不同的導(dǎo)體材料產(chǎn)生的，又稱之為熱電偶。由熱電偶的定義可以發(fā)現(xiàn)，熱電偶可將溫度直接轉(zhuǎn)化電信號(hào)，使得測(cè)量可以很容易簡(jiǎn)單的進(jìn)行。

圖 1  熱電效應(yīng)原理

二、熱電偶類型

對(duì)于熱電偶熱電勢(shì)的產(chǎn)生需要達(dá)到如下條件：

1.    兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體；

2.    溫度差的產(chǎn)生，即TA≠TB；

改變TA（稱之為測(cè)量端，也叫熱端）結(jié)點(diǎn)溫度時(shí)，保持TB（稱之為參考端，也叫冷端）處于一恒溫狀態(tài)，就能通過(guò)熱電勢(shì)與溫度關(guān)系得出該兩種材料所形成的熱電偶分度表，由于熱電勢(shì)指的是EAB（TA，TB），兩端接合點(diǎn)溫度差所對(duì)應(yīng)的電勢(shì)差有關(guān)，而溫度差相同但溫度段不同時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)大小也是不一致的，例如0~50℃和50~100℃的溫度差相同，但信號(hào)大小卻是不相同，為了準(zhǔn)確測(cè)量溫度信號(hào)就必須把其中一頭的溫度固定下來(lái)，通常分度表的TB一般為0℃。所以從理論上講，任何兩種導(dǎo)體都可以配制為熱電偶，但得到的并不全是滿足測(cè)量需求的，如測(cè)溫精度、測(cè)溫范圍、測(cè)溫瞬變程度等。在多年的時(shí)間測(cè)試了許多種熱電材料組合的熱電特性，經(jīng)過(guò)百多年的發(fā)展已經(jīng)對(duì)產(chǎn)品的規(guī)格及性能都已標(biāo)準(zhǔn)化。目前常用的熱電偶類型有8種，S、R、B、E、T、J、K、N。其中S、R、B屬于貴金屬材料熱電偶；E、T、J、K、N屬于廉金屬材料熱電偶。對(duì)于熱電偶類型所選用的材料均可在網(wǎng)上找到對(duì)應(yīng)資料。

對(duì)于不同型號(hào)類型熱電偶擁有自己所測(cè)量的最優(yōu)溫度區(qū)間，將在后續(xù)選取中進(jìn)一步介紹。

三、熱電偶測(cè)量原理

四個(gè)熱電偶基本經(jīng)驗(yàn)定律：

1.    均質(zhì)導(dǎo)體定律：由同一種均質(zhì)材料兩端焊接組成閉合回路時(shí)，無(wú)論導(dǎo)體兩端及其截面溫度如何分布，均不產(chǎn)生接觸電勢(shì)，而溫差電勢(shì)相互抵消，總電勢(shì)為零；

2.    中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對(duì)熱電偶回路的總電勢(shì)沒(méi)有影響；

中間溫度定律：熱電偶（金屬A與金屬B）回路兩接點(diǎn)（溫度為T(mén)，T0）間的熱電勢(shì)，等于熱電偶在溫度T，Tn時(shí)的熱電勢(shì)與溫度為T(mén)n，T0時(shí)熱電勢(shì)的代數(shù)和，Tn稱為中間溫度。

3.    參考電極定律：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)已知，那么由著兩種導(dǎo)體所組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)也就已知。

通常我們測(cè)量熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)時(shí)，基本上都會(huì)引入第三種材料的導(dǎo)體，如使用萬(wàn)用表測(cè)量時(shí)，一個(gè)簡(jiǎn)單的模型如下圖 2所示，萬(wàn)用表為金屬C，導(dǎo)體材料金屬A與金屬B測(cè)量接合端TA，金屬A與金屬C接合端TB1、金屬B與金屬C接合端的TB2，此時(shí)我們發(fā)現(xiàn)引入了多個(gè)測(cè)量的熱電勢(shì)EAC、EBC，我們最終只想要的熱電勢(shì)是金屬A與金屬B處測(cè)量端的熱電勢(shì)EAB。

圖 2  簡(jiǎn)單測(cè)量模型

通常會(huì)使用如下圖 3所示的測(cè)量模型，假設(shè)萬(wàn)用表處溫度相同，則在萬(wàn)用表處的熱電勢(shì)EAC會(huì)被相互抵消而不影響整個(gè)回路，整個(gè)回路的熱電勢(shì)都是由金屬A與金屬B材料的熱電偶產(chǎn)生，進(jìn)而萬(wàn)用表測(cè)量到的電壓為EAB（TA，TB），此時(shí)的TB稱為外部冷端?？梢岳斫獾氖牵扇f(wàn)用表測(cè)到的是TA與TB溫度差之間的熱電勢(shì)。

圖 3  改進(jìn)的測(cè)量模型

圖 3模型中有一個(gè)不合適的因素在于萬(wàn)用表處的兩端溫度在實(shí)際應(yīng)用中并不一定等溫，會(huì)造成電勢(shì)差引起的測(cè)量誤差。這樣就繼續(xù)引出一個(gè)更優(yōu)的模型，如圖 4所示。將萬(wàn)用表處通過(guò)金屬C材料引線引出后，根據(jù)均值導(dǎo)體定律，在萬(wàn)用表處無(wú)論存在多大溫度差都不會(huì)有熱電勢(shì)的產(chǎn)生，此時(shí)只需要保證TC1、TC2、TB三處溫度處于同一恒溫條件下，整個(gè)模型所測(cè)到的熱電勢(shì)電壓EAB（TA，TB）為T(mén)A與TB溫度差下的熱電勢(shì)。

圖 4  優(yōu)化后的模型

根據(jù)中間導(dǎo)體定律，下半部分的連接導(dǎo)線可以進(jìn)一步優(yōu)化為圖 5，由此我們不難發(fā)現(xiàn)，下圖的模型對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)所測(cè)量到的熱電勢(shì)是不變的，依然為EAB（TA，TB）。所以我們只需要保持后端連接的金屬材料一致，能夠正確測(cè)量等溫區(qū)溫度TB，就可得出溫度TA。

圖 5  簡(jiǎn)化TC2后

冷端補(bǔ)償

如圖 5，能夠知道熱電偶的熱電勢(shì)是E_AB（T_A，T_B），兩個(gè)接合端溫度差所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)，分度表中以TB=0℃進(jìn)行的測(cè)量標(biāo)定，由于自然環(huán)境因素，測(cè)量環(huán)境很少為0℃，但只要在測(cè)量過(guò)程中，保持冷端處于較穩(wěn)定的恒溫環(huán)境中，就能夠把溫度給補(bǔ)償回來(lái)，根據(jù)中間溫度定律：   ；那么就可以發(fā)現(xiàn)，我們的冷端就相當(dāng)于中間溫度T_n，而中間溫度T_n到0℃的熱電勢(shì)En0就必須通過(guò)軟件或硬件補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償至系統(tǒng)中。

使用高精度熱敏電阻或IC溫度傳感器等測(cè)量我們?cè)O(shè)計(jì)的冷端溫度，將我們所需要測(cè)量到的實(shí)際溫度TA是需要通過(guò)如下轉(zhuǎn)化才能夠正確得到，此方法為軟件補(bǔ)償，使用軟件補(bǔ)償?shù)膬?yōu)勢(shì)在于能夠兼容多種不同類型熱電偶進(jìn)行測(cè)量。

首先將T_n指測(cè)出，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)熱電偶類型所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)E_n，E_n加上所通過(guò)直接測(cè)量到的熱電勢(shì)E_An所得到的E_AB才為測(cè)量端T_A溫度到0℃所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)，再將E_A0通過(guò)查表得到最終的溫度值T_A。補(bǔ)償?shù)哪康脑谟谛拚涠藴囟萒_B≠0℃時(shí)的影響。

四、不同工控環(huán)境下對(duì)熱電偶的選取及其優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于不同的工業(yè)環(huán)境，所需要到的測(cè)溫范圍以及測(cè)溫精度是不一樣。下面簡(jiǎn)單介紹各類型熱電偶的電極材料及其測(cè)溫范圍，均以ITS-90國(guó)際溫標(biāo)為準(zhǔn)。

S型：鉑銠10（+）、純鉑（-）、測(cè)溫范圍：-50~1768℃、0.55uV/0.1℃;

R型：鉑銠13（+）、純鉑（-）、測(cè)溫范圍：-50~1768℃、0.55uV/0.1℃；

B型：鉑銠30（+）、鉑銠6（-）、測(cè)溫范圍：0~1820℃、0.25uV/0.1℃；

K型：鎳鉻（+）、鎳硅（-）、測(cè)溫范圍：-270~1372℃、4uV/0.1℃；

T型：純銅（+）、銅鎳（-）、測(cè)溫范圍：-270~400℃、4uV/0.1℃；

J型：鐵（+）、銅鎳（-）、測(cè)溫范圍：-210~1200℃、5uV/0.1℃；

N型：鎳鉻硅（+）、鎳硅（-）、測(cè)溫范圍：-200~1300℃、2.5uV/0.1℃；

E型：鎳鉻（+）、銅鎳（-）、測(cè)溫范圍：-270~1000℃、5.6uV/0.1℃。

S型特點(diǎn)是抗氧化性能強(qiáng)，比較適合在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用。在所有熱電偶中，S型的精度最高，常被作為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶；

R型與S型在性能上基本一致，除了熱電勢(shì)相對(duì)S較大外；

B型由于在室溫中，所產(chǎn)生的熱電勢(shì)最小，則一般不用做冷端補(bǔ)償，但在0~250℃區(qū)間，每10℃的變化只有1~2uV，所以會(huì)有特別大的測(cè)量誤差，一般不用B型熱電偶作為低溫區(qū)間測(cè)量，一般使用在250~1820℃。

三種貴金屬材料熱電偶都適合高溫下且高精度的工控環(huán)境中使用，如塑料制作成型、高精度模具制造、化工所用的催化劑等，不屬于常用熱電偶類型。

K型抗氧化性能強(qiáng)，比較適合在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用，在所有熱電偶中使用最廣泛；

J型可用于氧化性氣氛，也可用于還原性氣氛，并且耐H2及CO氣體腐蝕，多用于化工及煉油；

E型在常用熱電偶中，熱電勢(shì)最大，靈敏度最高，比較適合在氧化性、惰性氣氛中連續(xù)使用；

N型在1300℃以下高溫抗氧化性較強(qiáng)，熱電勢(shì)長(zhǎng)期穩(wěn)定性及耐核耐低溫性能也不錯(cuò)，在部分測(cè)溫環(huán)境中可代替S型使用；

T型是所有廉價(jià)金屬熱電偶中精度最高的，通常用來(lái)測(cè)量300℃以下；

在廉價(jià)金屬中，K、J、T用于普通元器件溫升測(cè)試或開(kāi)關(guān)電源溫度測(cè)試條件下均較常用，多數(shù)據(jù)測(cè)量情況下以K、J型熱電偶為主。

總結(jié)：

對(duì)于設(shè)計(jì)熱電偶測(cè)量電路時(shí)，要著重考慮冷端處對(duì)測(cè)量的影響，其次是作為冷端補(bǔ)償時(shí)，實(shí)際測(cè)量到的熱電勢(shì)是兩個(gè)溫度下的溫度差還是與0℃下的溫度差；并在必要情況下考慮是做熱電偶類型的兼容測(cè)量還是只接受單一熱電偶的測(cè)量要求去進(jìn)行設(shè)計(jì)。

對(duì)于選取需求用的熱電偶要關(guān)注所需的測(cè)量指標(biāo)和測(cè)量精度進(jìn)行適當(dāng)選取型號(hào)。

關(guān)鍵詞：