熱電偶

熱電偶是最常用的溫度傳感器類型。它們用于工業(yè)、汽車和消費(fèi)應(yīng)用。熱電偶是自供電的，可以在很寬的溫度范圍內(nèi)工作，并且具有快速的響應(yīng)時(shí)間。

熱電偶是通過(guò)將兩條不同的金屬線連接在一起制成的。這會(huì)導(dǎo)致塞貝克效應(yīng)。塞貝克效應(yīng)是兩種不同導(dǎo)體的溫差在兩種物質(zhì)之間產(chǎn)生電壓差的現(xiàn)象。正是這種電壓差可以測(cè)量并用于計(jì)算溫度。

熱電偶（thermocouple）它是溫度測(cè)量?jī)x器中常見的測(cè)溫元件它直接測(cè)量溫度，并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)力信號(hào)，通過(guò)電氣儀表傳遞（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。由于需要，各種熱電偶的形狀往往差別很大，但其基本結(jié)構(gòu)基本相同，通常由熱電極組成、絕緣套管保護(hù)管接線盒等主要部件，通常帶有顯示儀表、記錄儀和電子調(diào)節(jié)器一起使用。

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，溫度是需要測(cè)量和控制的重要參數(shù)之一。熱電偶廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小，便于輸出信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸。另外，由于熱電偶是一種有源傳感器，使用起來(lái)非常方便，不需要外接電源，所以常被用作測(cè)量爐、管道中氣體或液體的溫度以及固體的表面溫度。

兩種不同成分的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲或熱電極）當(dāng)兩端接合成電路時(shí)，當(dāng)兩個(gè)連接點(diǎn)的溫度不同時(shí)，電路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)叫做熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這個(gè)原理來(lái)測(cè)量溫度的，其中直接用來(lái)測(cè)量介質(zhì)溫度的一端稱為工作端（也稱為測(cè)量端）另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）冷端連接顯示儀表或配套儀表，顯示儀表會(huì)指出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)。

熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，利用產(chǎn)生的熱電勢(shì)來(lái)測(cè)量溫度對(duì)于熱電偶的熱電勢(shì)，要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

1、熱電偶的熱電勢(shì)是熱電偶工作端兩端溫度函數(shù)之差，而不是熱電偶冷端與工作端溫差的函數(shù)；

2、當(dāng)熱電偶材料均勻時(shí)，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與熱電偶的長(zhǎng)度和直徑無(wú)關(guān)，只與熱電偶材料的成分和兩端的溫差有關(guān)；

3、當(dāng)兩根熱電偶絲的材料成分確定后，熱電偶的熱電勢(shì)只與熱電偶的溫差有關(guān)；如果熱電偶冷端溫度保持不變，則熱電偶的熱電勢(shì)只是工作端溫度的單值函數(shù)。將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接成一個(gè)閉合回路，如圖所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)連接點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，它們之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而在回路中形成大電流。熱電偶就是利用這種效應(yīng)工作的。

當(dāng)兩個(gè)不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B形成一個(gè)回路，回路的兩端相互連接，只要兩個(gè)節(jié)點(diǎn)處的溫度不同，一端稱為工作端或熱端，另一端稱為自由端（也稱參考端）或者冷端，回路中會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向和大小與導(dǎo)體的材質(zhì)和兩個(gè)觸點(diǎn)的溫度有關(guān)。這種現(xiàn)象稱為“熱電效應(yīng)”由兩個(gè)導(dǎo)體組成的回路稱為“熱電偶”，這兩種導(dǎo)體被稱為“熱電極”，電動(dòng)勢(shì)叫做“熱電動(dòng)勢(shì)”

熱電動(dòng)勢(shì)由兩部分組成，一部分是兩個(gè)導(dǎo)體的接觸電動(dòng)勢(shì)，另一部分是單個(gè)導(dǎo)體的熱電電動(dòng)勢(shì)。

熱電偶電路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小只與導(dǎo)體材料和兩個(gè)觸點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與熱電偶的形狀和大小無(wú)關(guān)。當(dāng)熱電偶的兩個(gè)電極的材料固定時(shí)，熱電動(dòng)勢(shì)是兩個(gè)接觸溫度T和t0。的函數(shù)差。

也就是說(shuō)，這種關(guān)系已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際的溫度測(cè)量中。由于冷端t0不變，熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)只跟隨熱端(測(cè)量端)溫度變化，即一定的熱電勢(shì)對(duì)應(yīng)一定的溫度。只要測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)，就可以測(cè)量溫度。

熱電偶測(cè)溫的基本原理是兩種不同成分的材料導(dǎo)體形成一個(gè)閉合回路當(dāng)兩端有溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流流動(dòng)此時(shí)，兩端之間有一個(gè)——的電動(dòng)勢(shì)，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect）兩種成分不同的同質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，通常處于恒溫狀態(tài)。根據(jù)溫差電動(dòng)勢(shì)與溫度的函數(shù)關(guān)系，制作了熱電偶分度表；自由端溫度為0℃時(shí)得到分度表，不同的熱電偶有不同的分度表。

熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)挠?jì)算方法：

從毫伏到溫度：測(cè)量冷端溫度，換算成相應(yīng)的毫伏值，與熱電偶的毫伏值相加，換算成溫度；

從溫度到毫伏：測(cè)量實(shí)際溫度和冷端溫度，分別換算成毫伏，相減后得到毫伏，得到溫度。

1、抗震性能好的壓簧式感溫元件；

2、測(cè)量精度高；

3、測(cè)量范圍大（200℃ ~ 1300℃，特殊情況下－270攝氏度~2800攝氏度）

4、熱響應(yīng)時(shí)間快；

5、機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性好；

6、耐高溫可達(dá)2800度；

7、使用壽命長(zhǎng)。

1、測(cè)量精度高。由于熱電偶與被測(cè)對(duì)象直接接觸，所以不受中間介質(zhì)的影響。

2、測(cè)量范圍廣。常用熱電偶從零下50度-可連續(xù)測(cè)量1600度，最低可測(cè)量一些特殊熱電偶-269度（如金鐵鎳鉻），高達(dá)2800度（如鎢-錸

3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。熱電偶通常由兩種不同的金屬線組成，而且不受尺寸和開頭的限制，外面有保護(hù)套使用起來(lái)非常方便。

它是感溫元件，是一次儀表，熱電偶直接測(cè)量溫度。在兩種不同成分的導(dǎo)體組成的閉合回路中，由于材料不同，不同的電子密度產(chǎn)生電子擴(kuò)散，穩(wěn)定平衡后產(chǎn)生電勢(shì)。當(dāng)兩端有梯度溫度時(shí)，回路中就會(huì)有電流，產(chǎn)生熱電電動(dòng)勢(shì)溫差越大，電流就越大。測(cè)量熱電動(dòng)勢(shì)后就可以知道溫度值。熱電偶實(shí)際上是一種能量轉(zhuǎn)換器，可以將熱能轉(zhuǎn)化為電能。

熱電偶的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：熱電偶測(cè)溫范圍寬，性能穩(wěn)定；測(cè)量精度高，熱電偶與被測(cè)物體直接接觸，不受中間介質(zhì)影響；熱響應(yīng)時(shí)間快，熱電偶對(duì)溫度變化響應(yīng)靈活；大測(cè)量范圍，熱電偶來(lái)自-溫度可在40~ 1600℃連續(xù)測(cè)量；熱電偶性能可靠，機(jī)械強(qiáng)度好。使用壽命長(zhǎng)，安裝方便。

熱電偶必須由兩種性質(zhì)不同但滿足特定要求的導(dǎo)體組成（或半導(dǎo)體）材料構(gòu)成回路。熱電偶的測(cè)量端和參考端之間必須有溫差。

焊接兩個(gè)導(dǎo)體或不同材料的半導(dǎo)體A和B，形成一個(gè)閉合回路。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)持續(xù)點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，它們之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，因此在回路中形成一定量級(jí)的電流這種現(xiàn)象被稱為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這種效應(yīng)工作的。

熱響應(yīng)時(shí)間比較復(fù)雜，不同的測(cè)試條件會(huì)有不同的測(cè)量結(jié)果，因?yàn)樗軣犭娕寂c周圍介質(zhì)熱交換速率的影響熱交換率越高，熱響應(yīng)時(shí)間越短。為了使熱電偶產(chǎn)品的熱響應(yīng)時(shí)間具有可比性，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：熱響應(yīng)時(shí)間應(yīng)在專用水流測(cè)試裝置上進(jìn)行。設(shè)備的水流速度應(yīng)保持在0.4±0.05m/s，初始溫度為5-在45℃范圍內(nèi)，溫度階躍值為40-50℃。測(cè)試過(guò)程中，水的溫度變化不應(yīng)大于溫度階躍值的1%被測(cè)熱電偶的插入深度為150mm或設(shè)計(jì)插入深度（選擇較小的值，并在測(cè)試報(bào)告中注明）

由于裝置復(fù)雜，目前只有少數(shù)單位有這套設(shè)備，所以國(guó)標(biāo)規(guī)定允許廠家與用戶協(xié)商，也可以采用其他測(cè)試方法，但給出的數(shù)據(jù)必須注明測(cè)試條件。

由于B型熱電偶在室溫附近的熱電勢(shì)很小，熱響應(yīng)時(shí)間不容易測(cè)量，所以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可以用同規(guī)格的S型熱電偶的熱電極組件代替其自帶的熱電極組件，然后進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試期間，熱電偶的輸出變化應(yīng)記錄為相當(dāng)于50°的溫度階躍變化%的時(shí)間T0.5如有必要，可以記錄更改10%熱響應(yīng)時(shí)間T0.1和變化90%熱響應(yīng)時(shí)間T0.9。記錄的熱響應(yīng)時(shí)間應(yīng)為同一試驗(yàn)的至少三個(gè)試驗(yàn)結(jié)果的平均值，每個(gè)試驗(yàn)結(jié)果與平均值的偏差應(yīng)在10°以內(nèi)%以內(nèi)。此外，形成溫度階躍變化所需的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)待測(cè)熱電偶的T0.5的十分之一。記錄儀器或儀表的響應(yīng)時(shí)間不應(yīng)超過(guò)被測(cè)熱電偶的T0.5的十分之一。

有幾種類型的熱電偶由各種不同的材料制成，允許不同的溫度范圍和不同的靈敏度。不同的類型由指定的字母區(qū)分。最常用的是K型。

熱電偶的一些缺點(diǎn)包括測(cè)量溫度可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲭妷盒。枰_放大，對(duì)長(zhǎng)導(dǎo)線上的外部噪聲的敏感性以及冷端。冷端是熱電偶線與信號(hào)電路的銅跡線相遇的地方。這會(huì)產(chǎn)生另一個(gè)需要補(bǔ)償?shù)娜惪诵?yīng)，稱為冷端補(bǔ)償。