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聊聊TC熱電偶

發布時間：2019-10-28 責任編輯：lina

【導讀】溫度，無論是在工業還是農業生產過程中都屬於很普遍又很重要的指標。測量溫度信號使用各種類型的溫度傳感器實現，如熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等。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介紹。

溫度，無論是在工業還是農業生產過程中都屬於很普遍又很重要的指標。測量溫度信號使用各種類型的溫度傳感器實現，如熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等。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介紹。

何為熱電偶

兩種不同材料的導體或半導體（通常稱為熱點極）兩端接合（接合點A與B）形成回路時候，當兩端的接合點TA≠TB時，在回路中就會產生電動勢，通過溫度差變化引起電動勢的變化稱為熱電效應，該電動勢又被稱為熱電勢，如圖1所(suo)示(shi)。由(you)於(yu)該(gai)熱(re)電(dian)勢(shi)是(shi)由(you)兩(liang)種(zhong)不(bu)同(tong)的(de)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)產(chan)生(sheng)的(de)，又(you)稱(cheng)之(zhi)為(wei)熱(re)電(dian)偶(ou)。由(you)熱(re)電(dian)偶(ou)的(de)定(ding)義(yi)可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)，熱(re)電(dian)偶(ou)可(ke)將(jiang)溫(wen)度(du)直(zhi)接(jie)轉(zhuan)化(hua)電(dian)信(xin)號(hao)，使(shi)得(de)測(ce)量(liang)可(ke)以(yi)很(hen)容(rong)易(yi)簡(jian)單(dan)的(de)進(jin)行(xing)。

圖1 熱電效應原理

熱電偶類型

對於熱電偶熱電勢的產生需要達到如下條件：

1、兩種不同材料的導體或半導體；

2、溫度差的產生，即TA≠TB；

改變TA（稱之為測量端，也叫熱端）結點溫度時，保持TB（稱之為參考端，也叫冷端）處於一恒溫狀態，就能通過熱電勢與溫度關係得出該兩種材料所形成的熱電偶分度表，由於熱電勢指的是EAB（TA，TB），兩端接合點溫度差所對應的電勢差有關，而溫度差相同但溫度段不同時對應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，任何兩種導體都可以配製為熱電偶，但得到的並不全是滿足測量需求的，如測溫精度、測溫範圍、測(ce)溫(wen)瞬(shun)變(bian)程(cheng)度(du)等(deng)。在(zai)多(duo)年(nian)的(de)時(shi)間(jian)測(ce)試(shi)了(le)許(xu)多(duo)種(zhong)熱(re)電(dian)材(cai)料(liao)組(zu)合(he)的(de)熱(re)電(dian)特(te)性(xing)，經(jing)過(guo)百(bai)多(duo)年(nian)的(de)發(fa)展(zhan)已(yi)經(jing)對(dui)產(chan)品(pin)的(de)規(gui)格(ge)及(ji)性(xing)能(neng)都(dou)已(yi)標(biao)準(zhun)化(hua)。目(mu)前(qian)常(chang)用(yong)的(de)熱(re)電(dian)偶(ou)類(lei)型(xing)有(you)8種，S、R、B、E、T、J、K、N。其中S、R、B屬於貴金屬材料熱電偶；E、T、J、K、N屬於廉金屬材料熱電偶。對於熱電偶類型所選用的材料均可在網上找到對應資料。

對於不同型號類型熱電偶擁有自己所測量的最優溫度區間，將在後續選取中進一步介紹。

熱電偶測量原理

1、四個熱電偶基本經驗定律：

均質導體定律：youtongyizhongjunzhicailiaoliangduanhanjiezuchengbihehuilushi，wulundaotiliangduanjiqijiemianwenduruhefenbu，junbuchanshengjiechudianshi，erwenchadianshixianghudixiao，zongdianshiweiling；

中間導體定律：在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），隻要中間導體兩端溫度相同，中間導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（溫度為T，T0）間的熱電勢，等於熱電偶在溫度T，Tn時的熱電勢與溫度為Tn，T0時熱電勢的代數和，Tn稱為中間溫度。

參考電極定律：如果兩種導體分別與第三種導體組成的熱電偶所產生的熱電動勢已知，那麼由這兩種導體所組成的熱電偶所產生的熱電動勢也就已知。

通常我們測量熱電偶所產生的熱電勢時，基本上都會引入第三種材料的導體，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，此時我們發現引入了多個測量的熱電勢EAC、EBC，我們最終隻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材料的熱電偶產生，進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 改進的測量模型

圖3模(mo)型(xing)中(zhong)有(you)一(yi)個(ge)不(bu)合(he)適(shi)的(de)因(yin)素(su)在(zai)於(yu)萬(wan)用(yong)表(biao)處(chu)的(de)兩(liang)端(duan)溫(wen)度(du)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)並(bing)不(bu)一(yi)定(ding)等(deng)溫(wen)，會(hui)造(zao)成(cheng)電(dian)勢(shi)差(cha)引(yin)起(qi)的(de)測(ce)量(liang)誤(wu)差(cha)。這(zhe)樣(yang)就(jiu)繼(ji)續(xu)引(yin)出(chu)一(yi)個(ge)更(geng)優(you)的(de)模(mo)型(xing)，如(ru)圖(tu)4所示。將萬用表處通過金屬C材料引線引出後，根據均值導體定律，在萬用表處無論存在多大溫度差都不會有熱電勢的產生，此時隻需要保證TC1、TC2、TB三處溫度處於同一恒溫條件下，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 優化後的模型

根據中間導體定律，下半部分的連接導線可以進一步優化為圖5，由此我們不難發現，下圖的模型對於整個係統所測量到的熱電勢是不變的，依然為EAB（TA，TB）。所以我們隻需要保持後端連接的金屬材料一致，能夠正確測量等溫區溫度TB，就可得出溫度TA。

圖5 簡化TC2後

2、冷端補償

如圖5，能夠知道熱電偶的熱電勢是EAB（TA，TB），兩個接合端溫度差所對應的熱電勢，分度表中以TB=0℃進行的測量標定，由於自然環境因素，測量環境很少為0℃，但隻要在測量過程中，保持冷端處於較穩定的恒溫環境中，就能夠把溫度給補償回來，根據中間溫度定律：

那麼就可以發現，我們的冷端就相當於中間溫度Tn，而中間溫度Tn到0℃的熱電勢En0就必須通過軟件或硬件補償方式進行補償至係統中。

使用高精度熱敏電阻或IC溫度傳感器等測量我們設計的冷端溫度，將我們所需要測量到的實際溫度TA是需要通過如下轉化才能夠正確得到，此方法為軟件補償，使用軟件補償的優勢在於能夠兼容多種不同類型熱電偶進行測量。

首先將Tn指測出，轉化為相應熱電偶類型所對應的熱電勢En，En加上所通過直接測量到的熱電勢EAn所得到的EAB才為測量端TA溫度到0℃所對應的熱電勢，再將EA0通過查表得到最終的溫度值TA。補償的目的在於修正冷端溫度TB≠0℃時的影響。

4、不同工控環境下對熱電偶的選取及其優缺點

對於不同的工業環境，所需要到的測溫範圍以及測溫精度是不一樣。下麵簡單介紹各類型熱電偶的電極材料及其測溫範圍，均以ITS-90國際溫標為準。

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

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

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

K型：鎳鉻（+）、鎳矽（-）、測溫範圍：-270~1372℃、4uV/0.1℃；

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

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

N型：鎳鉻矽（+）、鎳矽（-）、測溫範圍：-200~1300℃、2.5uV/0.1℃；

E型：鎳鉻（+）、銅鎳（-）、測溫範圍：-270~1000℃、5.6uV/0.1℃。

S型特點是抗氧化性能強，比較適合在氧化性、惰性氣氛中連續使用。在所有熱電偶中，S型的精度最高，常被作為標準熱電偶；

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型由於在室溫中，所產生的熱電勢最小，則一般不用做冷端補償，但在0~250℃區間，每10℃的變化隻有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境中使用，如塑料製作成型、高精度模具製造、化工所用的催化劑等，不屬於常用熱電偶類型。

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

J型可用於氧化性氣氛，也可用於還原性氣氛，並且耐H2及CO氣體腐蝕，多用於化工及煉油；

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、惰性氣氛中連續使用；

N型在1300℃以下高溫抗氧化性較強，熱電勢長期穩定性及耐核耐低溫性能也不錯，在部分測溫環境中可代替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用於普通元器件溫升測試或開關電源溫度測試條件下均較常用，多數據測量情況下以K、J型熱電偶為主。

總結

對dui於yu設she計ji熱re電dian偶ou測ce量liang電dian路lu時shi，要yao著zhe重zhong考kao慮lv冷leng端duan處chu對dui測ce量liang的de影ying響xiang，其qi次ci是shi作zuo為wei冷leng端duan補bu償chang時shi，實shi際ji測ce量liang到dao的de熱re電dian勢shi是shi兩liang個ge溫wen度du下xia的de溫wen度du差cha還hai是shi與yu0℃下的溫度差；並在必要情況下考慮是做熱電偶類型的兼容測量還是隻接受單一熱電偶的測量要求去進行設計。

對於選取需求用的熱電偶要關注所需的測量指標和測量精度進行適當選取型號。

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