熱電偶原理

熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線組成，相連端稱為測量（“熱”）接合點。金屬線不相連的另一頭接到信號調理電路走線，它一般由銅制成。在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個接合點叫做參考（“冷”）接合點。

熱電偶

*我們使用術語“測量接合點“和“參考接合點”而不是更傳統的“熱接合點”和“冷接合點”。傳統命名體系可能會令人產生困惑，因為在許多應用中，測量接合點可能比參考接合點溫度更低。

在參考接合點處產生的電壓取決于測量接合點和參考接合點兩處的溫度。由于熱電偶是一種差分器件而不是式溫度測量器件，必須知道參考接合點溫度以獲得的溫度讀數。這一過程被稱為參考接合點溫度補償（冷接合點補償）。

熱電偶已成為在合理精度內高性價比測量寬溫度范圍的工業標準方法。它們應用于高達 約+2500°C的各種場合，如鍋爐、熱水器、烤箱和風機引擎等。K型是受歡迎的熱電偶，包括Chromel?和Alumel?（特點是分別含鉻、鋁、 鎂和硅的鎳合金），測量范圍是–200°C至+1250°C。

為什么使用熱電偶？
優點
溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數實際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間, 具體取決于所使用的金屬線。堅固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動性好，適合于危險惡劣的環境。響應快：因為它們體積小，熱容量低，熱電偶對溫度變化響應快，尤其在感應接合點裸露時。它們可在數百毫秒內對溫度變化作出響應。無自發熱：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發熱，其本身是安全的。
缺點
信號調理復雜：將熱電偶電壓轉換成可用的溫度讀數必需進行大量的信號調理。一直以來，信號調理耗費大量設計時間，處理不當就會引入誤差，導致精度降低。精度低：除了由于金屬特性導致的熱電偶內部固有不性外，熱電偶測量精度只能達到參考接合點溫度的測量精度，一般在1°C至2°C內。易受腐蝕：因為熱電偶由兩種不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時間而腐蝕可能會降低精度。因此，它們可能需要保護；且保養維護*。抗噪性差：當測量毫伏級信號變化時，雜散電場和磁場產生的噪聲可能會引起問題。絞合的熱電偶線對可能 大幅降低磁場耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導管內走線和防護可降低電場耦合。測量器件應當提供硬件或軟件方式的信號過濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。
熱電偶測量的難點
將熱電偶產生的電壓變換成溫度讀數并不是件輕松的事情，原因很多：電壓信號太弱，溫度電壓關系呈非線性，需要參考接合點補償，且熱電偶可能引起接地問題。讓我們逐一分析這些問題。

電壓信號太弱：常見的熱電偶類型有J、K和T型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號在模數轉換前需要較高的增益級。表1比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

表1. 25°C時各種熱電偶類型的電壓變化和溫度升高關系