0 前言

溫度檢測(cè)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(cè)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(cè)量的典型方式就是紅外溫度傳感器。所有物體都會(huì)發(fā)出紅外線，物體溫度越高，發(fā)出的紅外輻射能力越強(qiáng)。紅外溫度傳感器測(cè)溫的原理正基于此，它是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換的過程，類似原理在熱成像領(lǐng)域應(yīng)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(jù)溫度變化而變化的特性，通過測(cè)量其電阻值來測(cè)量溫度的傳感器。熱電阻的溫度與阻值幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系。熱電阻的測(cè)量溫度范圍相對(duì)較窄，通常適用于溫度500℃以內(nèi)的溫度測(cè)量。常規(guī)的NTC熱敏電阻僅150℃左右，區(qū)別在于NTC熱敏電阻的阻值和溫度是明顯的非線性關(guān)系。

熱電偶，是做熱學(xué)測(cè)試中必備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備部件之一。它在高低溫等可靠性測(cè)試場(chǎng)景中，對(duì)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(yīng)快等特點(diǎn)。

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(duì)比如下：

圖 1常見的四種溫度傳感器對(duì)比（摘自TI網(wǎng)站）

本文搜集并整理了一些信息，重點(diǎn)介紹下熱電偶的測(cè)溫原理、分類與特點(diǎn)。

1 定義及原理

定義

熱電偶，是指由兩種不同材質(zhì)的金屬導(dǎo)體構(gòu)成的溫度傳感器。它在一端連接另一端分開。

原理

19世紀(jì)20年代，德國(guó)科學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克 (Thomas Johann Seebeck) 發(fā)現(xiàn)：當(dāng)連接兩種不同金屬，并對(duì)兩端的接點(diǎn)施加不同溫度時(shí)，金屬之間會(huì)產(chǎn)生電壓并有電流通過。這一現(xiàn)象被命名為“塞貝克效應(yīng)”。該電路中生成電流的電力被稱為熱電動(dòng)勢(shì)（Thermoelectromotive force），其極性和大小僅由兩種導(dǎo)體的材質(zhì)和兩端之間的溫差決定。

測(cè)量時(shí)，連接端靠近熱源，被成為“熱結(jié)”，即測(cè)溫接點(diǎn)；分開端靠近采集儀，被成為“冷結(jié)”，即基準(zhǔn)接點(diǎn)，位于冷結(jié)的基準(zhǔn)電壓是在基準(zhǔn)溫度下通過兩種金屬測(cè)得的。注意，熱結(jié)溫度不一定大于冷結(jié)溫度，熱結(jié)表示金屬連接點(diǎn)或被測(cè)點(diǎn)。

通常，數(shù)據(jù)采集儀可事先設(shè)置好熱電偶的類型來采集溫度的變化范圍，顯然，數(shù)據(jù)采集儀自然是同時(shí)支持電壓采集的，這些數(shù)據(jù)最終將以表格、曲線的形式統(tǒng)計(jì)給測(cè)試人員。

圖 2 熱電偶的結(jié)構(gòu)

圖 3 熱電偶的原理

了解了熱電偶測(cè)溫的基本原理后，那么熱電偶的感溫點(diǎn)是在連接點(diǎn)嗎？

其實(shí)并不是，因?yàn)楦鶕?jù)“塞貝克效應(yīng)”，連接的2個(gè)金屬物體在產(chǎn)生“溫差”時(shí)才會(huì)產(chǎn)生電壓和電流。在基恩士的網(wǎng)站上，以下圖形象的表述了測(cè)溫的感溫部位。

圖 4 熱電偶的感溫位置

假設(shè)液體內(nèi)溫度為均勻100°C（無溫度梯度）。此時(shí)，液體內(nèi)的熱電偶部分不會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)。熱電動(dòng)勢(shì)只產(chǎn)生于存在溫度梯度的部分。由于熱電偶的感溫部位會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，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(huì)產(chǎn)生各種電壓響應(yīng)，因此可以采用不同類型的熱電偶來進(jìn)行不同溫度范圍和精度的測(cè)量。根據(jù)材料和測(cè)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(yīng)用（以+1000℃為界限）；廉金屬熱電偶相對(duì)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(diǎn)

根據(jù)物體的被測(cè)溫度范圍，應(yīng)當(dāng)選擇合適精度的熱電偶。以下圖示例：

圖 7不同熱電偶的測(cè)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(jié)構(gòu)

熱電偶通常有3種組成結(jié)構(gòu)，分別是露端式、接地式，非接地式。

圖 8 熱電偶的組成結(jié)構(gòu)

露端式

在溫升測(cè)試中比較常見，由于沒有保護(hù)套，它可以直接從被測(cè)物表面導(dǎo)熱，多用于對(duì)細(xì)微溫度變化的檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景中，缺點(diǎn)是強(qiáng)度比較低，損耗大。

接地式

熱電偶的引線連接點(diǎn)焊接在護(hù)套上，保護(hù)套為金屬材料，導(dǎo)熱性能較好，在比較惡劣的環(huán)境中可以起到防護(hù)作用。由于引線與套管導(dǎo)通，不適用于存在噪音等干擾較大的場(chǎng)景。

非接地式

熱電偶的引線連接點(diǎn)與護(hù)套隔離，響應(yīng)時(shí)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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(jí)和擴(kuò)展等級(jí)。

熱電偶的引線顏色代碼由ANSI/ASTM E230 或 IEC60584標(biāo)準(zhǔn)制定，2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際溫度之間關(guān)系的一項(xiàng)操作。在使用過程中，熱結(jié)受氧化、腐蝕和在高溫下材質(zhì)再結(jié)晶，使熱電特性發(fā)生變化，繼而使測(cè)量誤差越來越大，為了使溫度的測(cè)量能保證一定的精度，熱電偶應(yīng)當(dāng)定期進(jìn)行校正，以測(cè)出熱電勢(shì)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(diǎn)法，是指使用溫度定點(diǎn)給出正確溫度值，然后進(jìn)行校正的方法；另一種是比較法，是指利用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量任意規(guī)定的恒溫槽溫度，同時(shí)獲得它與被校正熱電偶之間的誤差后進(jìn)行校正的一種方法，它常用于校正工業(yè)用和實(shí)驗(yàn)室用熱電偶。比較法是更加常用的校正方法。

定點(diǎn)法

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

圖10 定點(diǎn)法校正

比較法

與定點(diǎn)法不同的是，比較法是同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)熱電偶采樣恒溫槽的溫度，將二者采樣的溫度進(jìn)行對(duì)比后校正。

比較法的精度低于定點(diǎn)法，但比較法可使用任意溫度進(jìn)行校正。

圖11 比較法校正

審核編輯：劉清