【導(dǎo)讀】熱電偶是一種常見的被動(dòng)測溫元件。它也是一種有源傳感器，測量時(shí)不需外加電源，并且測量溫度范圍（高達(dá)2000°C）很廣。它可以快速響應(yīng)，故系統(tǒng)運(yùn)行幾乎沒有顯著的延遲。
熱電偶結(jié)構(gòu)圖：熱電偶結(jié)構(gòu)簡單，主要由兩根金屬導(dǎo)線組成一個(gè)回路。
一般熱電偶產(chǎn)生的輸出電壓很小（K型為約?40μV/每°C），故需要精確的運(yùn)放支持。否則，外部噪聲（尤其是在熱電偶和測量電路之間使用長導(dǎo)線時(shí)）可能會(huì)使信號(hào)失真。下表顯示了一些常見的熱電偶類型和特性。
另一個(gè)問題是“冷端”，它是熱電偶導(dǎo)線與信號(hào)電路的線連接的地方，如同線路中的第二個(gè)熱電偶。
為了補(bǔ)償冷端的影響，可以嘗試測量冷端溫度，并將得出的電壓加上熱電偶電壓（Vout），讓熱電偶測量端感測得出的電壓（Vcj）能正式被顯示
Vtc = Vout + Vcj
其中Vtc = 由熱電感得到的電壓
Vcj =于“冷端”得出的電壓
以下是典型的熱電偶補(bǔ)償電路。溫度傳感器位于冷端進(jìn)行監(jiān)視，ADC以所需的分辨率提供輸出數(shù)據(jù)。
（來源：Digi-Key）
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熱電偶測量原理
熱電偶是常見的溫度測量元件，熱電偶原理比較簡單，它直接把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢信號(hào)，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度，雖然原理簡單，但測量并不簡單。
熱電偶測溫原理
熱電偶產(chǎn)生的熱電勢由接觸電勢和溫差電勢兩部分組成。
接觸電勢：兩種不同材料的導(dǎo)體，其電子密度是不同的。當(dāng)兩種不同材料的導(dǎo)體兩端接合在一起時(shí)，在連接處，會(huì)發(fā)生電子擴(kuò)散，電子擴(kuò)散的速率與自由電子的密度以及導(dǎo)體的溫度成正比。于是就在連接處形成電位差，即接觸電勢。
溫差電勢：當(dāng)一根導(dǎo)體的兩端溫度不同時(shí)，在導(dǎo)體內(nèi)部兩端的自由電子相互擴(kuò)散的速率不同，這個(gè)在高低溫端之間一個(gè)靜電場。此時(shí)導(dǎo)體上產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差，稱為溫差電勢。此電勢只與導(dǎo)體的性質(zhì)和導(dǎo)體兩端的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體的長度、截面大小、沿導(dǎo)體長度上的溫度分布無關(guān)。
熱電偶的示意圖
圖1 熱電偶的示意圖
熱電偶的測量電路圖
圖2 熱電偶的測量電路圖
直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。
在實(shí)際熱電偶的測量中，熱電偶的測量電路一般由熱電偶（A、B兩種導(dǎo)體）、連接導(dǎo)線C和測量儀器組成。測量時(shí)將熱電偶置于被測環(huán)境中，如圖2所示，形成有J1、J2、J3三個(gè)接觸電勢，以及兩個(gè)溫差電勢，整個(gè)熱電偶的電勢由這幾部分構(gòu)成。
為了更好的理解這幾部分的電勢，我們需要了解一個(gè)定律：中間導(dǎo)體定律。
中間導(dǎo)體定律：在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響。
由中間導(dǎo)體定義推導(dǎo)出：
1、組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同時(shí)，無論兩接點(diǎn)溫度如何，回路總熱電勢等于零。
2、如果熱電偶兩接點(diǎn)的溫度相同，則盡管導(dǎo)體A，B材料不同，熱電偶回路的總電勢亦為零。
所以J2和J3處于同一溫度點(diǎn)，接觸電勢等于零。同時(shí)，在測量時(shí)，為了消除溫差電勢對測量影響，我們對連接導(dǎo)線C會(huì)有比較嚴(yán)格的要求，連接導(dǎo)線C我們稱之為補(bǔ)償導(dǎo)線，補(bǔ)償導(dǎo)線實(shí)際上是同分度熱電偶是同材質(zhì)的導(dǎo)線，這樣回路中溫差電勢也為零。這樣整個(gè)回路的電勢只與J1的電勢有關(guān)。由于熱電偶技術(shù)條件都是指冷端（非工作端）處在0℃時(shí)的電動(dòng)勢，要求工作時(shí)，保持0℃，這樣熱電勢才能正確反映熱端溫度大小，否則就會(huì)產(chǎn)生誤差。為了修正在室溫下的測量誤差，熱電偶一般進(jìn)行溫度補(bǔ)償。
熱電偶的溫度補(bǔ)償
熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ饕校?/div>
01 冷端恒溫法
這種方法將熱電偶的冷端放在恒溫場合，有0℃恒溫器和其他恒溫器兩種。
02 電橋補(bǔ)償法
熱電偶經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線接至補(bǔ)償電橋，熱電偶冷端與電橋處于同一環(huán)境溫度中，利用不平衡電壓來自動(dòng)補(bǔ)償熱電偶因冷端溫度變化而引起的熱電勢變化值。
03 計(jì)算修正法
由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系,當(dāng)冷端溫度不為0攝氏度時(shí)，不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E（t，t0）直接查表求取熱端溫度值;也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E（t，t0）直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測溫度值，需按中間溫度定律進(jìn)行修正。
中間溫度定律：熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為T、T0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時(shí)的熱電勢與在溫度為Tn、T0時(shí)的熱電勢的代數(shù)和。Tn稱中間溫度。
熱電偶的測量優(yōu)點(diǎn)
熱電偶的測量相對熱電阻來說要復(fù)雜得多，但是以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。
1、測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。
2、測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600℃均連續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800℃（如鎢-錸）。
3、構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。
熱電偶四大基本定律及證明
熱電偶的基本定律包括均質(zhì)導(dǎo)體定律、中間導(dǎo)體定律、中間溫度定律以及參考電極定律，熱電偶的這四大基本定律對熱電偶的應(yīng)用有及其重要的作用。
均質(zhì)導(dǎo)體定律
定義：由同一種均質(zhì)材料（導(dǎo)體或半導(dǎo)體）兩端焊接組成閉合回路，無論導(dǎo)體截面如何以及溫度如何分布，將不產(chǎn)生接觸電勢，溫差電勢相抵消，回路中總電勢為零。
可見，熱電偶必須由兩種不同的均質(zhì)導(dǎo)體或半導(dǎo)體構(gòu)成。若熱電極材料不均勻，由于溫度梯存在，將會(huì)產(chǎn)生附加熱電勢。
證明：熱電偶的電勢由兩個(gè)接觸電勢和兩個(gè)溫差電勢構(gòu)成。即：
由于材料相同，沒有接觸電勢；而溫差電勢為大小相同，方向相反的兩個(gè)電勢，相互抵消，也為零。
應(yīng)用：根據(jù)這個(gè)定律，可以檢驗(yàn)兩個(gè)熱電極材料成分是否相同（稱為同名極檢驗(yàn)法），也可以檢查熱電極材料的均勻性。
中間導(dǎo)體定律
定義：在熱電偶回路中接入中間導(dǎo)體（第三導(dǎo)體），只要中間導(dǎo)體兩端溫度相同，中間導(dǎo)體的引入對熱電偶回路總電勢沒有影響。
證明：證明過程參考熱電偶中間定律的證明
應(yīng)用：依據(jù)中間導(dǎo)體定律，在熱電偶實(shí)際測溫應(yīng)用中，常采用熱端焊接、冷端開路的形式，冷端經(jīng)連接導(dǎo)線與顯示儀表連接構(gòu)成測溫系統(tǒng)。例如，用銅導(dǎo)線連接熱電偶冷端到儀表讀取mV值，在導(dǎo)線與熱電偶連接處產(chǎn)生的接觸電勢是不會(huì)對測量產(chǎn)生附加誤差。再比如可以將熱電偶的兩端不焊接而直接插入液態(tài)金屬中或直接焊在金屬表面進(jìn)行溫度測量。
中間溫度定律
定義：熱電偶回路兩接點(diǎn)（溫度為t，t0）間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為t、tn時(shí)的熱電勢與在溫度為tn、t0時(shí)的熱電勢的代數(shù)和。tn稱中間溫度。
證明：
應(yīng)用：由于熱電偶E-T之間通常呈非線性關(guān)系,當(dāng)冷端溫度不為0攝氏度時(shí)，不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E（t，t0）直接查表求取熱端溫度值;也不能利用已知回路實(shí)際熱電勢E（t，t0）直接查表求取的溫度值，再加上冷端溫度確定熱端被測溫度值，需按中間溫度定律進(jìn)行修正。初學(xué)者經(jīng)常不按中間溫度定律來修正!
參考電極定律
定義：如果兩種導(dǎo)體分別與第三種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢已知，則由這兩種導(dǎo)體組成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢也就已知。
證明：
導(dǎo)體A、B分別與標(biāo)準(zhǔn)電極C組成熱電偶，若它們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢為已知，即
那么，導(dǎo)體A與B組成的熱電偶，其熱電動(dòng)勢為
應(yīng)用：標(biāo)準(zhǔn)電極定律是一個(gè)極為實(shí)用的定律。純金屬的種類很多，而合金類型更多。因此，要得出這些金屬之間組合而成熱電偶的熱電動(dòng)勢，其工作量是極大的。由于鉑的物理、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，熔點(diǎn)高，易提純，所以，我們通常選用高純鉑絲作為標(biāo)準(zhǔn)電極，只要測得各種金屬與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢，則各種金屬之間相互組合而成的熱電偶的熱電動(dòng)勢就可以得到。
例如：熱端為100℃，冷端為0℃時(shí)，鎳鉻合金與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢為2.95mV，而考銅與純鉑組成的熱電偶的熱電動(dòng)勢為-4.0mV，則鎳鉻和考銅組合而成的熱電偶所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢則為 2.95mV-（-4.0mV）=6.95mV。
熱電偶和熱電阻的差別
熱電偶簡介
熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克seeback效應(yīng)，即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。
01 熱電偶基本測溫原理
熱電偶測溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路。由于兩種不同金屬所攜帶的電子數(shù)不同，當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體的二個(gè)連接點(diǎn)之間存在溫差時(shí)，就會(huì)發(fā)生高電位向低電位放電現(xiàn)象，因而在回路中形成電流，溫度差越大，電流越大，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，也叫塞貝克效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。
02 熱電偶種類及結(jié)構(gòu)構(gòu)成
(1) 熱電偶的種類
常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級(jí)上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。
標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶。
(2) 熱電偶的結(jié)構(gòu)形式為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)要求如下：
①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固;
②兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路;
③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
④保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
熱電阻簡介
熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點(diǎn)是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑熱電阻的測量精確度是最高的，它不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)儀。
01 熱電阻測溫原理及材料
熱電阻測溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用鎳、錳和銠等材料制造熱電阻。
02 熱電阻的類型
(1) 普通型熱電阻
從熱電阻的測溫原理可知，被測溫度的變化是直接通過熱電阻阻值的變化來測量的，因此，熱電阻體的引出線等各種導(dǎo)線電阻的變化會(huì)給溫度測量帶來影響。
(2) 鎧裝熱電阻
鎧裝熱電阻是由感溫元件(電阻體)、引線、絕緣材料、不銹鋼套管組合而成的堅(jiān)實(shí)體，它的外徑一般為φ2--φ8mm。與普通型熱電阻相比，它有下列優(yōu)點(diǎn)：①體積小，內(nèi)部無空氣隙，熱慣性上，測量滯后小;②機(jī)械性能好、耐振，抗沖擊;③能彎曲，便于安裝;④使用壽命長。
(3) 端面熱電阻
端面熱電阻感溫元件由特殊處理的電阻絲材繞制，緊貼在溫度計(jì)端面。它與一般軸向熱電阻相比，能更正確和快速地反映被測端面的實(shí)際溫度，適用于測量軸瓦和其他機(jī)件的端面溫度。
(4)隔爆型熱電阻
隔爆型熱電阻通過特殊結(jié)構(gòu)的接線盒，把其外殼內(nèi)部爆炸性混合氣體因受到火花或電弧等影響而發(fā)生的爆炸局限在接線盒內(nèi)，生產(chǎn)現(xiàn)場不會(huì)引超爆炸。隔爆型熱電阻可用于Bla--B3c級(jí)區(qū)內(nèi)具有爆炸危險(xiǎn)場所的溫度測量。
熱電阻和熱電偶的差別
1. 雖然都是接觸式測溫儀表，但它們的測溫范圍不同，熱電偶使用在溫度較高的環(huán)境，幾種常見熱電偶的測量范圍如下：
除了表中的幾種熱電偶，還有J型，T型等。熱電偶一般用于500度以上的較高溫度，因它們在低溫區(qū)時(shí)輸出熱電勢很小(查表可以看一下)，當(dāng)電勢小時(shí)，對抗干擾措施和二次表和要求很高，否則測量不準(zhǔn)，還有，在較低的溫度區(qū)域，冷端溫度的變化和環(huán)境溫度的變化所引起的相對誤差就顯得很突出，不易得到全補(bǔ)償。這時(shí)在中低溫度時(shí)，一般使用熱電阻測溫，范圍為-200℃～500℃，甚至還可測更低的溫度(如用碳電阻可測到1K左右的低溫)。現(xiàn)在正常使用鉑熱電阻Pt100，在工業(yè)上也有用銅電阻，分度號(hào)為CU50和CU100，但測溫范圍較小，在-50℃～150℃之間，在一些特殊場合還有銦電阻，錳電阻。
1. 熱電偶測量溫度的基本原理是熱電效應(yīng)。二次表是一個(gè)檢伏計(jì)或?yàn)榱颂岣呔葧r(shí)使用電子電位差計(jì)。熱電阻是基于導(dǎo)體和半導(dǎo)體的電阻值隨溫度而變化的特性而工作的。
2. 由熱電偶測溫原理可知，只有在其冷端溫度恒定時(shí)，被測溫度才與熱電勢成單值函數(shù)關(guān)系。在實(shí)際使用中，就用一種熱電特性與相應(yīng)熱電偶特性相似的廉價(jià)的連接導(dǎo)線(也稱為補(bǔ)償導(dǎo)線)，使熱電偶冷端引伸到溫度相對恒定的地方(最好為0度)，如用銅--康銅做補(bǔ)償導(dǎo)線來引申鎳鉻---鎳硅熱電阻。因此，熱電偶到二次表延長線是兩根。熱電阻與二次表之間是用銅導(dǎo)線連接的，為了減小環(huán)境變化引起的測量誤差，一般均采用三線制接法，其中有兩根導(dǎo)線將熱電阻串聯(lián)于相鄰的兩個(gè)橋臂上，另一根導(dǎo)線是引來電源。使用時(shí)要求每根導(dǎo)線的電阻值與調(diào)整電阻之和都保證為5歐姆(±0.01)。
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