熱電偶測量原理

溫度，無論是在工業(yè)還是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中都屬于很普遍又很重要的指標(biāo)。測量溫度信號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量原理及其類型，以及對熱電偶選取的簡單介紹。

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）形成回路時候，當(dāng)兩端的接合點(diǎn)TA≠TB時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，通過溫度差變化引起電動勢的變化稱為熱電效應(yīng)，該電動勢又被稱為熱電勢，如圖 1所示。由于該熱電勢是由兩種不同的導(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，使得測量可以很容易簡單的進(jìn)行。

圖 1  熱電效應(yīng)原理

二、熱電偶類型

對于熱電偶熱電勢的產(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（稱之為測量端，也叫熱端）結(jié)點(diǎn)溫度時，保持TB（稱之為參考端，也叫冷端）處于一恒溫狀態(tài)，就能通過熱電勢與溫度關(guān)系得出該兩種材料所形成的熱電偶分度表，由于熱電勢指的是EAB（TA，TB），兩端接合點(diǎn)溫度差所對應(yīng)的電勢差有關(guān)，而溫度差相同但溫度段不同時對應(yīng)的信號大小也是不一致的，例如0~50℃和50~100℃的溫度差相同，但信號大小卻是不相同，為了準(zhǔn)確測量溫度信號就必須把其中一頭的溫度固定下來，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量需求的，如測溫精度、測溫范圍、測溫瞬變程度等。在多年的時間測試了許多種熱電材料組合的熱電特性，經(jīng)過百多年的發(fā)展已經(jīng)對產(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。對于熱電偶類型所選用的材料均可在網(wǎng)上找到對應(yīng)資料。

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

三、熱電偶測量原理

四個熱電偶基本經(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，無論導(dǎo)體兩端及其截面溫度如何分布，均不產(chǎn)生接觸電勢，而溫差電勢相互抵消，總電勢為零；

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)體的引入對熱電偶回路的總電勢沒有影響；

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，T0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度T，Tn時的熱電勢與溫度為Tn，T0時熱電勢的代數(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)生的熱電動勢已知，那么由著兩種導(dǎo)體所組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢也就已知。

通常我們測量熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢時，基本上都會引入第三種材料的導(dǎo)體，如使用萬用表測量時，一個簡單的模型如下圖 2所示，萬用表為金屬C，導(dǎo)體材料金屬A與金屬B測量接合端TA，金屬A與金屬C接合端TB1、金屬B與金屬C接合端的TB2，此時我們發(fā)現(xiàn)引入了多個測量的熱電勢EAC、EBC，我們最終只想要的熱電勢是金屬A與金屬B處測量端的熱電勢EAB。

圖 2  簡單測量模型

通常會使用如下圖 3所示的測量模型，假設(shè)萬用表處溫度相同，則在萬用表處的熱電勢EAC會被相互抵消而不影響整個回路，整個回路的熱電勢都是由金屬A與金屬B材料的熱電偶產(chǎn)生，進(jìn)而萬用表測量到的電壓為EAB（TA，TB），此時的TB稱為外部冷端?？梢岳斫獾氖?，由萬用表測到的是TA與TB溫度差之間的熱電勢。

圖 3  改進(jìn)的測量模型

圖 3模型中有一個不合適的因素在于萬用表處的兩端溫度在實(shí)際應(yīng)用中并不一定等溫，會造成電勢差引起的測量誤差。這樣就繼續(xù)引出一個更優(yōu)的模型，如圖 4所示。將萬用表處通過金屬C材料引線引出后，根據(jù)均值導(dǎo)體定律，在萬用表處無論存在多大溫度差都不會有熱電勢的產(chǎn)生，此時只需要保證TC1、TC2、TB三處溫度處于同一恒溫條件下，整個模型所測到的熱電勢電壓EAB（TA，TB）為TA與TB溫度差下的熱電勢。

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)，下圖的模型對于整個系統(tǒng)所測量到的熱電勢是不變的，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，能夠正確測量等溫區(qū)溫度TB，就可得出溫度TA。

圖 5  簡化TC2后

冷端補(bǔ)償

如圖 5，能夠知道熱電偶的熱電勢是E_AB（T_A，T_B），兩個接合端溫度差所對應(yīng)的熱電勢，分度表中以TB=0℃進(jìn)行的測量標(biāo)定，由于自然環(huán)境因素，測量環(huán)境很少為0℃，但只要在測量過程中，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，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En0就必須通過軟件或硬件補(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溫度傳感器等測量我們設(shè)計的冷端溫度，將我們所需要測量到的實(shí)際溫度TA是需要通過如下轉(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)勢在于能夠兼容多種不同類型熱電偶進(jìn)行測量。

首先將T_n指測出，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)熱電偶類型所對應(yīng)的熱電勢E_n，E_n加上所通過直接測量到的熱電勢E_An所得到的E_AB才為測量端T_A溫度到0℃所對應(yīng)的熱電勢，再將E_A0通過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℃時的影響。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

E型：鎳鉻（+）、銅鎳（-）、測溫范圍：-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，除了熱電勢相對S較大外；

B型由于在室溫中，所產(chǎn)生的熱電勢最小，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，所以會有特別大的測量誤差，一般不用B型熱電偶作為低溫區(qū)間測量，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)，熱電勢長期穩(wěn)定性及耐核耐低溫性能也不錯，在部分測溫環(huán)境中可代替S型使用；

T型是所有廉價金屬熱電偶中精度最高的，通常用來測量300℃以下；

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

總結(jié)：

對于設(shè)計熱電偶測量電路時，要著重考慮冷端處對測量的影響，其次是作為冷端補(bǔ)償時，實(shí)際測量到的熱電勢是兩個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量還是只接受單一熱電偶的測量要求去進(jìn)行設(shè)計。

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