热电偶基本原理和使用方法

热电偶基本原理和使用方法
常用热电偶分度号有S、B、K、E、T、J等，这些都是标准化热电偶。

其中K型也即镍铬－镍硅热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热偶。

由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。

它可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。

它不能用于还原性介质中，否则，很快腐蚀，在此情况下只能用于500度以下的测量。

它比S型热偶要便宜很多，它的重复性很好，产生的热电势大，因而灵敏度很高，而且它的线性很好。

虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用的热电偶。

概述：
作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一——热电偶，与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用，直接测量各种生产过程中-40～1800℃范围内的液体、蒸气和气体介质以及固体的表面温度。

热电偶工作原理：
两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。

热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。

热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：
（１）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；
（２）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；
（３）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

热电偶的基本构造：
工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。

一、常用热电偶丝材及其性能
１、铂铑10－铂热电偶（分度号为Ｓ，也称为单铂铑热电偶）
该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：
（１）热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃，超达1400℃时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；
（２）精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；
（３）使用范围较广，均匀性及互换性好；
（４）主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。

２、铂铑13－铂热电偶（分度号为Ｒ，也称为单铂铑热电偶）
该热电偶的正极为含13%的铂铑合金，负极为纯铂，同S型相比，它的电势率大15%左右，其它性能几乎相同，该种热电偶在日本产业界，作为高温热电偶用得最多，而在中国，则用得较少；
３、铂铑30－铂铑6热电偶（分度号为Ｂ，也称为双铂铑热电偶）
该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金，负极为含铑6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。

Ｂ型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿命也是Ｒ或Ｓ型的10～20倍；由于其电极均由铂铑合金制成，故不存在铂铑－铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵（相对于单铂铑而言）。

４、镍铬－镍硅（镍铝）热电偶（分度号为Ｋ）
该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。

可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。

Ｋ型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。

Ｋ型热电偶的缺点：
（1）热电势的高温稳定性较Ｎ型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000℃）往往因氧化而损坏；
（2）在250～500℃范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达2～3℃；
（3）其负极在150～200℃范围内要发生磁性转变，致使在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；
（４）长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（Ｍn）、钴（Ｃo）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。

５、镍铬硅－镍硅热电偶（分度号为Ｎ）
该热电偶的主要特点是：在1300℃以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在400～1300℃ 范围内，Ｎ型热电偶的热电特性的线性比Ｋ型偶要好；但在低温范围内（-200～400℃）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。

６、铜－铜镍热电偶（分度号为Ｔ）
T型热电电偶,该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用温度是-200～350℃，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃，在-200～300℃范围内，它们灵敏度比较高，铜－康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。

７、铁－康铜热电偶（分度号为Ｊ）
J型热电偶,该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜,适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从 -200～800℃，但常用温度只是500℃以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气（Ｈ2）及一氧化碳（ＣＯ）气体腐蚀，但不能在高温（例如500℃）含硫（Ｓ）的气氛中使用。

８、镍铬－铜镍（康铜）热电偶（分度号为Ｅ）
Ｅ型热电偶是一种较新的产品，它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金（康铜），其最大特点是在常用的热电偶中，其热电势最大，即灵敏度最高；它的应用范围虽不及Ｋ型偶广泛，但在要求灵敏度高、热导率低、可容许大电阻的条件下，常常被选用；使用中的限制条件与Ｋ型相同，但对于含有较高湿度气氛的腐蚀不很敏感。

除了以上8种常用的热电偶外，作为非标准化的热电偶还有钨铼热电偶，铂铑系热电偶，铱锗系热电偶，铂钼系热电偶和非金属材料热电偶等。

二、绝缘管
该热电偶的工作端被牢固地焊接在一起，热电极之间需要用绝缘管保护。

热电偶的绝缘材料很多，大体上可分为有机和无机绝缘两类，处于高温端的绝缘物必须采用无机物，通常在1000以下选用粘土质绝缘管，在1300以下选用高铝管，在1600以下选用刚玉管。

三、保护管
保护管的作用在于使用热电偶电极不直接与被测介质接触，它不仅可延长热电偶的寿命，还可起到支撑和
固定热电极增加其强度的作用；因此，热电偶保护管及绝缘选择是否合适，将直接影响到热电偶的使用寿命和测量的准确度，被采用做保护管的材料主要分金属和非金属两大类。

热电偶冷端补偿
摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。

本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端(冷端)的定义和功能。

本文还给出了按照具体应用选择冷端温度
测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。

概述
温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。

与RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。

另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。

当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。

虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。

除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。

热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行
处理。

如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。

热电偶基础
热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。

表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。

每种热电偶在其规定的温度范围内具有
独特的热电特性。

表1. 常用的热电偶类型
类型正端金属/合金负端金属/合金温度范围(°C)
T 铜镍铜合金-200至+350
J 铁镍铜合金0至+750
K 镍铬合金镍基热电偶合金-200至+1250
E 镍铬合金镍铜合金-200至+900
两种不同类型的金属接(焊接)在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。

这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。

Seebeck效应相对于Peltier效应，Peltier 效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。

图1a所示，测量电压V OUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。

因为V H和V C是由两个结的温度差产生的，V OUT也是温差的函数。

定标因数，α，对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。

图1a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果。

图1b. 常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。

图1b所示是一种最常见的热电偶应用。

该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的节点。

本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。

这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。

V OUT仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。

然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，
冷端温度必须是已知的。

冷端温度为0°C (冰点)时是一种最简单的情况，如果T C = 0°C，则V OUT = V H。

这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。

美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。

所有数据均基于0°C冷端温度。

利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的V H可以确定
热端温度。

在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。

如果冷端温度不是0°C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。

考虑到非零冷端温度的电压，
必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。

选择冷端温度测量器件
如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。

在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。

对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。

精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。

修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。

温度传感器IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。

总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，
以便得到最佳的性价比。

考虑因素
一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。

一种简单的方法既是使用NBS提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。

将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线
性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。

软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。

缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。

多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。

出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。

这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。

其精度取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够
测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。

应用电路
下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄(0°C至+70°C和-40°C至+85°C)的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。

第二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。

第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。

所有三个电路均采用K型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。

示例#1
图2所示电路中，16位Σ-Δ ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。

集成可编程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。

温度检测IC靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。

这种方法假设IC温度近似等于冷端温度。

冷端温度传感器输出由ADC的通道2进行数字转换。

温度传感器内部的2.56V基准节省了一个外部电压基准IC。

图2. 本地温度检测IC (MAX6610)确定冷端温度。

温度检测IC靠近热电偶接点(冷端)放置，热电偶和冷端
温度传感器输出电压由16位ADC (MX7705)转换。

工作在双极性模式时，ADC可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道1输出。

ADC的通道2将MAX6610的单端输出电压转换成数字信号，提供给微控制器。

温度检测IC的输出电压与冷端温度成正比。

为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。

然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。

将此电压与经过PGA增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。

表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。

实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。

表2. 图2电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度
冷端温度(°C) 热端测量温度*
(°C)
测量值#1 -39.9 +101.4 测量值#2 0.0 +101.5 测量值#3 +25.2 +100.2
测量值#4 +85.0 +99.0
* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。

示例#2
图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度，与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。

晶体管直接安装在热电偶接头处。

温度检测IC
将晶体管的测量温度转换成数字输出。

ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出，通道2没有使用，输入直接接地。

外部2.5V基准IC为ADC
提供基准电压。

图3. 远端二极管温度检测IC不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。

MAX6002为ADC
提供2.5V基准电压。

表3列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。

实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。

表3. 图3电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度
冷端温度(°C) 热端测量温度*
(°C)
测量值#1 -39.8 +99.1
测量值#2 -0.3 +98.4
测量值#3 +25.0 +99.7
测量值#4 +85.1 +101.5
* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。

示例#3
图4电路中的12位ADC带有温度检测二极管，温度检测二极管将环境温度转换成电压量，IC通过处理热电偶电压和二极管的检测电压，计算出补偿后的热端温度。

数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果，在0°C至+700°C温度范围内，器件温度误差保持在±9 LSB以内。

虽然该器件的测温范围较宽，但它
不能测量0°C以下的温度。

图4. 集成了冷端补偿的ADC，将热电偶电压转换为温度，无需外部元件。

表4是4所示电路的测量结果，冷端温度变化范围：0°C至+70°C，热端温度保持在+100°C。

表4. 图4电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度
冷端温度(°C) 热端测量温度*
(°C)
测量值#1 0.0 +100.25 测量值#2 +25.2 +100.25 测量值#3 +50.1 +101.0 测量值#4 +70.0 +101.25
* “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。

结论
由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。

热电偶所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。

如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度，即可确定出热端的实际温度值。

冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关，铂RTD精度最高，但成本也最高。

电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围，但其线性度较差。

硅温度传感器检测IC工作温度范围较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，能够满足多数热电偶应用的需求。