熱電偶的定義及原理 熱電偶的分類及其校正方法概述

0 前言

溫度檢測的途徑有很多，有接觸式，有非接觸式，比如紅外溫度傳感器、電阻式溫度檢測器（即RTD，如Pt100鉑熱電阻）、熱敏電阻（NTC）、熱電偶、IC傳感器等。

其中，非接觸式溫度測量的典型方式就是紅外溫度傳感器。所有物體都會發出紅外線，物體溫度越高，發出的紅外輻射能力越強。紅外溫度傳感器測溫的原理正基于此，它是一個光電轉換的過程，類似原理在熱成像領域應用非常廣泛。

熱電阻是利用金屬或金屬氧化物的電阻值根據溫度變化而變化的特性，通過測量其電阻值來測量溫度的傳感器。熱電阻的溫度與阻值幾乎呈現線性關系。熱電阻的測量溫度范圍相對較窄，通常適用于溫度500℃以內的溫度測量。常規的NTC熱敏電阻僅150℃左右，區別在于NTC熱敏電阻的阻值和溫度是明顯的非線性關系。

熱電偶，是做熱學測試中必備的實驗設備部件之一。它在高低溫等可靠性測試場景中，對分析器件的殼溫變化曲線等具有難以替代的作用。熱電偶具有低成本、量程寬、響應快等特點。

四種常見的接觸式溫度傳感器（熱電阻、熱敏電阻、熱電偶、IC傳感器）對比如下：

圖 1常見的四種溫度傳感器對比（摘自TI網站）

本文搜集并整理了一些信息，重點介紹下熱電偶的測溫原理、分類與特點。

1 定義及原理

定義

熱電偶，是指由兩種不同材質的金屬導體構成的溫度傳感器。它在一端連接另一端分開。

原理

19世紀20年代，德國科學家托馬斯·約翰·塞貝克 (Thomas Johann Seebeck) 發現：當連接兩種不同金屬，并對兩端的接點施加不同溫度時，金屬之間會產生電壓并有電流通過。這一現象被命名為“塞貝克效應”。該電路中生成電流的電力被稱為熱電動勢（Thermoelectromotive force），其極性和大小僅由兩種導體的材質和兩端之間的溫差決定。

測量時，連接端靠近熱源，被成為“熱結”，即測溫接點；分開端靠近采集儀，被成為“冷結”，即基準接點，位于冷結的基準電壓是在基準溫度下通過兩種金屬測得的。注意，熱結溫度不一定大于冷結溫度，熱結表示金屬連接點或被測點。

通常，數據采集儀可事先設置好熱電偶的類型來采集溫度的變化范圍，顯然，數據采集儀自然是同時支持電壓采集的，這些數據最終將以表格、曲線的形式統計給測試人員。

圖 2 熱電偶的結構

圖 3 熱電偶的原理

了解了熱電偶測溫的基本原理后，那么熱電偶的感溫點是在連接點嗎？

其實并不是，因為根據“塞貝克效應”，連接的2個金屬物體在產生“溫差”時才會產生電壓和電流。在基恩士的網站上，以下圖形象的表述了測溫的感溫部位。

圖 4 熱電偶的感溫位置

假設液體內溫度為均勻100°C（無溫度梯度）。此時，液體內的熱電偶部分不會產生熱電動勢。熱電動勢只產生于存在溫度梯度的部分。由于熱電偶的感溫部位會產生熱電動勢，因此該溫度梯度部位即為熱電偶的感溫部位。

2 熱電偶的分類

不同金屬的組合會產生各種電壓響應，因此可以采用不同類型的熱電偶來進行不同溫度范圍和精度的測量。根據材料和測溫范圍的不同，將熱電偶分為以下八類：

圖 5 熱電偶的分類

B/R/S 熱電偶被稱為貴金屬熱電偶，而N/K/E/J/T 熱電偶被稱為廉金屬熱電偶。

貴金屬熱電偶由鉑（Pt）和銠（Rh）等貴金屬制成。貴金屬熱電偶更昂貴，用于溫度更高的應用（以+1000℃為界限）；廉金屬熱電偶相對常見，它們通常以銅（Cu）、鐵（Fe）、鎳（Ni）、鉻（Cr）、硅（Si）或其合金為主。

圖 6 不同熱電偶的特點

根據物體的被測溫度范圍，應當選擇合適精度的熱電偶。以下圖示例：

圖 7不同熱電偶的測溫范圍

K型熱電偶是最常見和最通用的選擇。

3 熱電偶的組成結構

熱電偶通常有3種組成結構，分別是露端式、接地式，非接地式。

圖 8 熱電偶的組成結構

露端式

在溫升測試中比較常見，由于沒有保護套，它可以直接從被測物表面導熱，多用于對細微溫度變化的檢測應用場景中，缺點是強度比較低，損耗大。

接地式

熱電偶的引線連接點焊接在護套上，保護套為金屬材料，導熱性能較好，在比較惡劣的環境中可以起到防護作用。由于引線與套管導通，不適用于存在噪音等干擾較大的場景。

非接地式

熱電偶的引線連接點與護套隔離，響應時間最差，但可靠性比較高。

4 熱電偶的顏色代碼

熱電偶引線和連接器采用特定顏色的插頭和插孔進行標準化，以表明熱電偶的類型。絕緣和引線的不同顏色也表示熱電偶等級和擴展等級。

熱電偶的引線顏色代碼由ANSI/ASTM E230 或 IEC60584標準制定，2個標準的定義顏色不同，下圖以ANSI/ASTM E230為例：

圖 9 不同熱電偶的顏色代碼

5 熱電偶的校正

熱電偶校正，指決定所用熱電偶顯示的值與實際溫度之間關系的一項操作。在使用過程中，熱結受氧化、腐蝕和在高溫下材質再結晶，使熱電特性發生變化，繼而使測量誤差越來越大，為了使溫度的測量能保證一定的精度，熱電偶應當定期進行校正，以測出熱電勢變化的情況，通常每半年1次。

熱電偶校正方法有2種，一種是定點法，是指使用溫度定點給出正確溫度值，然后進行校正的方法；另一種是比較法，是指利用標準熱電偶測量任意規定的恒溫槽溫度，同時獲得它與被校正熱電偶之間的誤差后進行校正的一種方法，它常用于校正工業用和實驗室用熱電偶。比較法是更加常用的校正方法。

定點法

定點法的原理是采樣已知溫度恒定不變的被測物溫度，如氮的沸點–195.798°C、冰點0℃、水的三相點0.01℃、水的沸點99.974℃、錫的凝固點231.928°C等，通過測量定點溫度進行校正。

圖10 定點法校正

比較法

與定點法不同的是，比較法是同時采用標準熱電偶采樣恒溫槽的溫度，將二者采樣的溫度進行對比后校正。

比較法的精度低于定點法，但比較法可使用任意溫度進行校正。

圖11 比較法校正

審核編輯：劉清