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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于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于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所示。由于該熱電勢是由兩種不同的導體材料產生的，又稱之為熱電偶。由熱電偶的定義可以發現，熱電偶可將溫度直接轉化電信號，使得測量可以很容易簡單的進行。

圖1 熱電效應原理

熱電偶類型

對于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）處于一恒溫狀態，就能通過熱電勢與溫度關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，經過百多年的發展已經對產品的規格及性能都已標準化。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上找到對應資料。

對于不同型號類型熱電偶擁有自己所測量的最優溫度區間，將在后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：由同一種均質材料兩端焊接組成閉合回路時，無論導體兩端及其截面溫度如何分布，均不產生接觸電勢，而溫差電勢相互抵消，總電勢為零；

中間導體定律：在熱電偶回路中接入中間導體（第三導體），只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，那么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模型中有一個不合適的因素在于萬用表處的兩端溫度在實際應用中并不一定等溫，會造成電勢差引起的測量誤差。這樣就繼續引出一個更優的模型，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。