熱電偶技術(shù)

熱電偶是所有傳感器中復(fù)雜性很低的一種，因此既堅(jiān)固耐用，又低成本，非常適用于工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

熱電偶由兩根材質(zhì)不同的金屬導(dǎo)線組成，這兩根導(dǎo)線共同連接測量點(diǎn)，稱為熱接點(diǎn)。熱電偶的輸出是與熱接點(diǎn)和導(dǎo)線冷接點(diǎn)之間的溫差成比例的電壓。所產(chǎn)生的電壓非常小且是非線性的，這便給熱電偶儀器制造商帶來了設(shè)計(jì)難題。但如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，熱電偶便是一種成本非常低的傳感器，如果損壞則可輕松更換。

熱電偶理論

熱電偶電路至少有兩個(gè)接點(diǎn)：測量接點(diǎn)（熱接點(diǎn)）和參考接點(diǎn)或冷接點(diǎn)。參考接點(diǎn)是熱電偶的兩根導(dǎo)線連接測量儀器（例如數(shù)據(jù)記錄器）的接點(diǎn)。這是金屬材質(zhì)從熱電偶金屬變成測量儀器金屬的點(diǎn)，大多數(shù)電子數(shù)據(jù)記錄器均采用銅線。

熱電偶的輸出電壓與測量接點(diǎn)和參考接點(diǎn)之間的溫差有關(guān)。這是 Thomas Seebeck 在1821年觀察到一種現(xiàn)象后得出的結(jié)論。在該現(xiàn)象中，由兩個(gè)金屬材質(zhì)不同的導(dǎo)線組成的電路在其中一個(gè)接點(diǎn)被加熱后改變了電壓表指針的位置。

每一類熱電偶都有其特有的塞貝克(Seebeck) 電壓曲線。 塞貝克曲線取決于熱電偶兩根導(dǎo)線中使用的金屬，所產(chǎn)生的電壓以 mV 為單位。 熱電偶中使用的幾乎所有導(dǎo)線都是合金，合金的同質(zhì)性對于測量系統(tǒng)的精度至關(guān)重要。

應(yīng)記住，電壓不是在熱接點(diǎn)處產(chǎn)生的，而是在存在熱梯度的區(qū)域沿著導(dǎo)線產(chǎn)生的。在精度要求高的應(yīng)用場合，在使用熱電偶前檢查精度時(shí)應(yīng)考慮到這一點(diǎn)。

熱電偶類型

熱電偶可分為兩大類；一類由普通金屬制成，一類由貴金屬制成。普通金屬成本較低，通常為銅、鐵或鎳合金。合金中金屬的確切比例不確定，但電壓/溫度響應(yīng)曲線是確定的。因此，在微觀層面來看，來自兩個(gè)不同供應(yīng)商的普通金屬熱電偶導(dǎo)線可能具有不同的金屬比例。貴金屬熱電偶由鉑和銠等貴金屬制成。貴金屬的確切純度和比例是確定的，其電壓/溫度曲線也是確定的。

下面列出了一些常用的熱電偶類型及其使用范圍。

熱電偶結(jié)構(gòu)

熱電偶的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢在于：結(jié)構(gòu)簡單，能夠針對具體應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)；例如，在食品工業(yè)中，可將其輕松插到產(chǎn)品中，在金屬熱處理過程中，可將其焊接在產(chǎn)品上。可將熱電偶尖端壓平，以獲得更好的熱接觸效果，或?qū)⑵溥B接在磁鐵上，以便快速固定。

導(dǎo)線絕緣層可采用 PTFE 或玻璃纖維編織帶等柔性材料以起到絕緣作用，在溫度較高時(shí)，還可提供金屬或陶瓷護(hù)套。

熱電偶儀表

為確保獲得較好精度，需對熱電偶儀表（如數(shù)據(jù)記錄器）的電子和機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行精心設(shè)計(jì)。儀表的機(jī)械設(shè)計(jì)必須確保，冷接點(diǎn)傳感器與熱電偶導(dǎo)線連接電路板銅軌/線的接點(diǎn)等溫。如果冷接點(diǎn)傳感器不能精確地跟蹤溫度變化，則將導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)與跟蹤偏離度相同的誤差。確保該區(qū)域不存在熱梯度至關(guān)重要。

由于熱電偶的電壓輸出很低，只有 4uV/C，因此在對信號進(jìn)行數(shù)字化之前需要先進(jìn)行放大處理。熱電偶通常是長平行導(dǎo)線，通常用于電氣設(shè)備工作環(huán)境較為惡劣的場合，在這種狀況下，它們會像天線一樣接收干擾信號，因此需要精心設(shè)計(jì)其電子結(jié)構(gòu)以濾除干擾信號。

總結(jié)

熱電偶成本低，堅(jiān)固耐用，應(yīng)用溫度范圍廣。據(jù)估計(jì)，美國工業(yè)中超過一半的溫度讀數(shù)都是由熱電偶測得的。雖然其電壓輸出值小且非線性，但如果對測量儀器或數(shù)據(jù)記錄器進(jìn)行精心設(shè)計(jì)，測量系統(tǒng)便可獲得精確且可重復(fù)的溫度數(shù)據(jù)。

熱電偶理論又稱為塞貝克效應(yīng)，描述了一種兩根不同材質(zhì)的電導(dǎo)體由于存在溫差而產(chǎn)生電壓差的現(xiàn)象。