热电偶、热电效应和热电效应原理

　　热电偶(thermocouple)是把两种不同材料的金属的一端连接起来，利用热电效应来测量温度的传感器。

　　1821年，德国科学家托马斯·约翰·塞贝克发现了电流热效应的逆效应：即当给一段金属丝的两端施加不同温度时，金属丝两端会产生电动势，闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为“热电效应”，也叫“塞贝克效应”。

　　热电效应原理：如图，用两种不同颜色表示两种不同的金属材料，A、B 端在常温环境中用于测温端口，称为冷端。C点为被测端，由于热电效应，在 A端和C端以及B端和C端之间温度不同，所以会产生电势差。而因为两种金属材料的不同，导致这两个电势差不一样，最终A端和B端也有了电势差，经测量AB之间的电势差，再对参考金属特性值和冷端温度进行查表校准，最后就可以通过测量AB端输出的电势差来得到对应C端的温度值了。

　　热电偶种类

　　中国标准化热电偶从1988年1月1日起按IEC国际标准生产，并指定S、R、B、K、J、T、N、E八种标准化热电偶为中国统一设计型热电偶(如图2)。

　　S、R、B型热电偶使用的金属比较贵重，所以价格相对较高;K、T、J、N、E型热电偶使用的金属比较廉价，所以相对价格较便宜。下面介绍这几种热电偶的测温范围以及优缺点：

　　S、R、B型热电偶

　　S、R型和B型热电偶长期最高使用温度分别为1300℃和1600℃，短期最高使用温度分别为1600℃和1800℃。优势：具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长等优点。它的物理、化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。

　　S型热电偶具有优良的综合性能，符合国际使用温标的S型热电偶，曾长期作为国际温标的内插仪器。“ITS-90”虽被规定今后不再作为国际温标的内插仪器，但国际温度咨询委员会(CCT)认为，S型热电偶仍可用于近似实现国际温标。

　　R型热电偶的综合性能与S型热电偶相当。B型热电偶与S和R相似，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。但其明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。

　　T、R、B型热电偶劣势：此类热电偶的热电势率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵。

　　K、N、E、J、T型热电偶

　　测温范围以及优势和劣势见表1：

　　补充：N型热电偶克服了K型热电偶的两个重要缺点：K型热电偶在300~500℃间，由于镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不稳定;在800℃左右，由于镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。

　　表1

　　热电偶的优缺点

　　优点：

　　a.温度范围广：从低温到喷气引擎废气，热电偶适用于大多数实际的温度范围。热电偶测量温度范围在–200°C至+2500°C之间，具体取决于所使用的金属线。

　　b.坚固耐用：热电偶属于耐用器件，抗冲击振动性好，适合于危险恶劣的环境。

　　c.响应快：因为它们体积小，热容量低，热电偶对温度变化响应快，尤其在感应接合点裸露时。它们可在数百毫秒内对温度变化作出响应。

　　d.无自发热：由于热电偶不需要激励电源，因此不易自发热，其本身是安全的。

　　缺点：

　　a.信号调理复杂：将热电偶电压转换成可用的温度读数必须进行大量的信号调理。一直以来，信号调理耗费大量设计时间，处理不当就会引入误差，导致精度降低。

　　b.精度低：除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不精确性外，热电偶测量精度只能达到参考接合点温度的测量精度，一般在1°C至2°C内。

　　c.易受腐蚀：因为热电偶由两种不同的金属所组成，在一些工况下，随时间而腐蚀可能会降低精度。因此，它们可能需要保护;且保养维护必不可少。

　　d.抗噪性差：当测量毫伏级信号变化时，杂散电场和磁场产生的噪声可能会引起问题。绞合的热电偶线对可能大幅降低磁场耦合。使用屏蔽电缆或在金属导管内走线和防护可降低电场耦合。测量器件应当提供硬件或软件方式的信号过滤，有力抑制工频频率(50 Hz/60 Hz)及其谐波。

　　热电偶和热电阻的选择要素

　　我们可以根据以下要素来进行热电偶和热电阻的选择。

　　需要测量的温度范围：500℃以上一般选择热电偶，500℃以下看应用环境来选择。

　　测量范围选择：热电偶所测量的一般指“点”温，热电阻通常用于测量空间温度。

　　冷端补偿

　　由于热电效应的原理。因此，需要一个额外的温度传感器来测量参考点温度，此参考点也就是我们常说的冷端补偿点。

　　常见的几种冷端补偿传感器分别如下：

　　1.热敏电阻：响应快、封装小。但要求线性，精度有限，尤其在宽温度范围内。要求激励电流，会产生自发热，引起漂移。结合信号调理功能后的整体系统精度差，只适合测量精度低、低成本的应用场合。

　　2.电阻式温度测量器(RTD)：RTD相比热敏电阻，更佳精确、稳定且特性线性，但封装尺寸和成本，相对热敏电阻高。因为需要良好匹配的激励源和采样电路，所以设计相对更复杂，需要的外围器件更好。用RTD作为冷端补偿的热电偶测量系统，通常对系统级精密度要求更高。

　　3.集成式温度传感器：集成温度传感器是一种以半导体工艺制成的集成式测温元件。通过半导体工艺技术，将测温等模拟单元获得的信息数字化输出，高集成度，可获得远低于1°C的系统级精度。外围电路设计简单，可直接和MCU进行通讯，同样针对高精度热电偶采集系统的冷端补偿方案，使用和设计都最为简单。