熱電偶原理

熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線組成，相連端稱為測(cè)量（“熱”）接合點(diǎn)。金屬線不相連的另一頭接到信號(hào)調(diào)理電路走線，它一般由銅制成。在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個(gè)接合點(diǎn)叫做參考（“冷”）接合點(diǎn)。

熱電偶

*我們使用術(shù)語(yǔ)“測(cè)量接合點(diǎn)“和“參考接合點(diǎn)”而不是更傳統(tǒng)的“熱接合點(diǎn)”和“冷接合點(diǎn)”。傳統(tǒng)命名體系可能會(huì)令人產(chǎn)生困惑，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，測(cè)量接合點(diǎn)可能比參考接合點(diǎn)溫度更低。

在參考接合點(diǎn)處產(chǎn)生的電壓取決于測(cè)量接合點(diǎn)和參考接合點(diǎn)兩處的溫度。由于熱電偶是一種差分器件而不是式溫度測(cè)量器件，必須知道參考接合點(diǎn)溫度以獲得的溫度讀數(shù)。這一過(guò)程被稱為參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償（冷接合點(diǎn)補(bǔ)償）。

熱電偶已成為在合理精度內(nèi)高性價(jià)比測(cè)量寬溫度范圍的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。它們應(yīng)用于高達(dá) 約+2500°C的各種場(chǎng)合，如鍋爐、熱水器、烤箱和風(fēng)機(jī)引擎等。K型是受歡迎的熱電偶，包括Chromel?和Alumel?（特點(diǎn)是分別含鉻、鋁、 鎂和硅的鎳合金），測(cè)量范圍是–200°C至+1250°C。

為什么使用熱電偶？
優(yōu)點(diǎn)
溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度范圍。熱電偶測(cè)量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間, 具體取決于所使用的金屬線。堅(jiān)固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。響應(yīng)快：因?yàn)樗鼈凅w積小，熱容量低，熱電偶對(duì)溫度變化響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時(shí)。它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化作出響應(yīng)。無(wú)自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵(lì)電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。
缺點(diǎn)
信號(hào)調(diào)理復(fù)雜：將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必需進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理。一直以來(lái)，信號(hào)調(diào)理耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)時(shí)間，處理不當(dāng)就會(huì)引入誤差，導(dǎo)致精度降低。精度低：除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不性外，熱電偶測(cè)量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測(cè)量精度，一般在1°C至2°C內(nèi)。易受腐蝕：因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時(shí)間而腐蝕可能會(huì)降低精度。因此，它們可能需要保護(hù)；且保養(yǎng)維護(hù)*。抗噪性差：當(dāng)測(cè)量毫伏級(jí)信號(hào)變化時(shí)，雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)引起問(wèn)題。絞合的熱電偶線對(duì)可能 大幅降低磁場(chǎng)耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護(hù)可降低電場(chǎng)耦合。測(cè)量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號(hào)過(guò)濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。
熱電偶測(cè)量的難點(diǎn)
將熱電偶產(chǎn)生的電壓變換成溫度讀數(shù)并不是件輕松的事情，原因很多：電壓信號(hào)太弱，溫度電壓關(guān)系呈非線性，需要參考接合點(diǎn)補(bǔ)償，且熱電偶可能引起接地問(wèn)題。讓我們逐一分析這些問(wèn)題。

電壓信號(hào)太弱：常見(jiàn)的熱電偶類型有J、K和T型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。其它較少見(jiàn)的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級(jí)。表1比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

表1. 25°C時(shí)各種熱電偶類型的電壓變化和溫度升高關(guān)系