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熱電偶測量原理

來源：電子產(chǎn)品世界 2022-02-01 18:00:13

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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。可以理解的是，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(jì)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；