熱電偶、熱電效應(yīng)和熱電效應(yīng)原理

　　熱電偶(thermocouple)是把兩種不同材料的金屬的一端連接起來，利用熱電效應(yīng)來測量溫度的傳感器。

　　1821年，德國科學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克發(fā)現(xiàn)了電流熱效應(yīng)的逆效應(yīng)：即當(dāng)給一段金屬絲的兩端施加不同溫度時，金屬絲兩端會產(chǎn)生電動勢，閉合回路后金屬絲中會有電流流過。這種現(xiàn)象被稱為“熱電效應(yīng)”，也叫“塞貝克效應(yīng)”。

　　熱電效應(yīng)原理：如圖，用兩種不同顏色表示兩種不同的金屬材料，A、B 端在常溫環(huán)境中用于測溫端口，稱為冷端。C點(diǎn)為被測端，由于熱電效應(yīng)，在 A端和C端以及B端和C端之間溫度不同，所以會產(chǎn)生電勢差。而因?yàn)閮煞N金屬材料的不同，導(dǎo)致這兩個電勢差不一樣，最終A端和B端也有了電勢差，經(jīng)測量AB之間的電勢差，再對參考金屬特性值和冷端溫度進(jìn)行查表校準(zhǔn)，最后就可以通過測量AB端輸出的電勢差來得到對應(yīng)C端的溫度值了。

　　熱電偶種類

　　中國標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶從1988年1月1日起按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、R、B、K、J、T、N、E八種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為中國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶(如圖2)。

　　S、R、B型熱電偶使用的金屬比較貴重，所以價格相對較高;K、T、J、N、E型熱電偶使用的金屬比較廉價，所以相對價格較便宜。下面介紹這幾種熱電偶的測溫范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)：

　　S、R、B型熱電偶

　　S、R型和B型熱電偶長期最高使用溫度分別為1300℃和1600℃，短期最高使用溫度分別為1600℃和1800℃。優(yōu)勢：具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。它的物理、化學(xué)性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。

　　S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能，符合國際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，曾長期作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器?！癐TS-90”雖被規(guī)定今后不再作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，但國際溫度咨詢委員會(CCT)認(rèn)為，S型熱電偶仍可用于近似實(shí)現(xiàn)國際溫標(biāo)。

　　R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)。B型熱電偶與S和R相似，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。但其明顯的優(yōu)點(diǎn)是不需用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)樵?~50℃范圍內(nèi)熱電勢小于3μV。

　　T、R、B型熱電偶劣勢：此類熱電偶的熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴。

　　K、N、E、J、T型熱電偶

　　測溫范圍以及優(yōu)勢和劣勢見表1：

　　補(bǔ)充：N型熱電偶克服了K型熱電偶的兩個重要缺點(diǎn)：K型熱電偶在300~500℃間，由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定;在800℃左右，由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)定。

　　表1

　　熱電偶的優(yōu)缺點(diǎn)

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　a.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。

　　b.堅(jiān)固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動性好，適合于危險惡劣的環(huán)境。

　　c.響應(yīng)快：因?yàn)樗鼈凅w積小，熱容量低，熱電偶對溫度變化響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時。它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對溫度變化作出響應(yīng)。

　　d.無自發(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)：

　　a.信號調(diào)理復(fù)雜：將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必須進(jìn)行大量的信號調(diào)理。一直以來，信號調(diào)理耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)時間，處理不當(dāng)就會引入誤差，導(dǎo)致精度降低。

　　b.精度低：除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不精確性外，熱電偶測量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測量精度，一般在1°C至2°C內(nèi)。

　　c.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，隨時間而腐蝕可能會降低精度。因此，它們可能需要保護(hù);且保養(yǎng)維護(hù)必不可少。

　　d.抗噪性差：當(dāng)測量毫伏級信號變化時，雜散電場和磁場產(chǎn)生的噪聲可能會引起問題。絞合的熱電偶線對可能大幅降低磁場耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護(hù)可降低電場耦合。測量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號過濾，有力抑制工頻頻率(50 Hz/60 Hz)及其諧波。

　　熱電偶和熱電阻的選擇要素

　　我們可以根據(jù)以下要素來進(jìn)行熱電偶和熱電阻的選擇。

　　需要測量的溫度范圍：500℃以上一般選擇熱電偶，500℃以下看應(yīng)用環(huán)境來選擇。

　　測量范圍選擇：熱電偶所測量的一般指“點(diǎn)”溫，熱電阻通常用于測量空間溫度。

　　冷端補(bǔ)償

　　由于熱電效應(yīng)的原理。因此，需要一個額外的溫度傳感器來測量參考點(diǎn)溫度，此參考點(diǎn)也就是我們常說的冷端補(bǔ)償點(diǎn)。

　　常見的幾種冷端補(bǔ)償傳感器分別如下：

　　1.熱敏電阻：響應(yīng)快、封裝小。但要求線性，精度有限，尤其在寬溫度范圍內(nèi)。要求激勵電流，會產(chǎn)生自發(fā)熱，引起漂移。結(jié)合信號調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)精度差，只適合測量精度低、低成本的應(yīng)用場合。

　　2.電阻式溫度測量器(RTD)：RTD相比熱敏電阻，更佳精確、穩(wěn)定且特性線性，但封裝尺寸和成本，相對熱敏電阻高。因?yàn)樾枰己闷ヅ涞募钤春筒蓸与娐?，所以設(shè)計(jì)相對更復(fù)雜，需要的外圍器件更好。用RTD作為冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y量系統(tǒng)，通常對系統(tǒng)級精密度要求更高。

　　3.集成式溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種以半導(dǎo)體工藝制成的集成式測溫元件。通過半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將測溫等模擬單元獲得的信息數(shù)字化輸出，高集成度，可獲得遠(yuǎn)低于1°C的系統(tǒng)級精度。外圍電路設(shè)計(jì)簡單，可直接和MCU進(jìn)行通訊，同樣針對高精度熱電偶采集系統(tǒng)的冷端補(bǔ)償方案，使用和設(shè)計(jì)都最為簡單。