熱電偶原理

熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線(xiàn)組成，相連端稱(chēng)為測量（“熱”）接合點(diǎn)。金屬線(xiàn)不相連的另一頭接到信號調理電路走線(xiàn)，它一般由銅制成。在熱電偶金屬和銅走線(xiàn)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)“測量接合點(diǎn)“和“參考接合點(diǎn)”而不是更傳統的“熱接合點(diǎn)”和“冷接合點(diǎn)”。傳統命名體系可能會(huì )令人產(chǎn)生困惑，因為在許多應用中，測量接合點(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量器件，必須知道參考接合點(diǎn)溫度以獲得的溫度讀數。這一過(guò)程被稱(chēng)為參考接合點(diǎn)溫度補償（冷接合點(diǎn)補償）。

熱電偶已成為在合理精度內高性?xún)r(jià)比測量寬溫度范圍的工業(yè)標準方法。它們應用于高達 約+2500°C的各種場(chǎng)合，如鍋爐、熱水器、烤箱和風(fēng)機引擎等。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實(shí)際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間, 具體取決于所使用的金屬線(xiàn)。堅固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險惡劣的環(huán)境。響應快：因為它們體積小，熱容量低，熱電偶對溫度變化響應快，尤其在感應接合點(diǎn)裸露時(shí)。它們可在數百毫秒內對溫度變化作出響應。無(wú)自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。
缺點(diǎn)
信號調理復雜：將熱電偶電壓轉換成可用的溫度讀數必需進(jìn)行大量的信號調理。一直以來(lái)，信號調理耗費大量設計時(shí)間，處理不當就會(huì )引入誤差，導致精度降低。精度低：除了由于金屬特性導致的熱電偶內部固有不性外，熱電偶測量精度只能達到參考接合點(diǎn)溫度的測量精度，一般在1°C至2°C內。易受腐蝕：因為熱電偶由兩種不同的金屬所組成，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；且保養維護*?？乖胄圆睿寒敎y量毫伏級信號變化時(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(xiàn)對可能 大幅降低磁場(chǎng)耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導管內走線(xiàn)和防護可降低電場(chǎng)耦合。測量器件應當提供硬件或軟件方式的信號過(guò)濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。
熱電偶測量的難點(diǎn)
將熱電偶產(chǎn)生的電壓變換成溫度讀數并不是件輕松的事情，原因很多：電壓信號太弱，溫度電壓關(guān)系呈非線(xiàn)性，需要參考接合點(diǎn)補償，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。

電壓信號太弱：常見(jiàn)的熱電偶類(lèi)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(lèi)型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號在模數轉換前需要較高的增益級。表1比較了各種熱電偶類(lèi)型的靈敏度。

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