熱電偶可以用于高精度的溫度測量，但對設計工程師來說卻很棘手。不過，如果你理解熱電偶的工作原理的話，就可以通過堅實的電路設計和校準來優化測量精度。本文介紹了熱電偶的基本原理及電路設計時需要注意的事項。

自20世紀初期以來，熱電偶就被廣泛應用于關鍵的溫度測量，特別是較高溫領域。對于許多工業和過程關鍵應用，T/C和RTD(電阻溫度檢測器)已經成為溫度測量的“黃金標準”。盡管RTD具有更好的精度和可重復性，但相對而言，熱電偶具有如下優勢：

?量程較大

?響應時間較快

?成本較低

?耐久性較好

?自供電(*激勵信號)

?無自熱效應

然而，利用熱電偶進行高精度溫度測量可能比較復雜。您可以通過堅實的電路設計和校準來優化測量精度，但理解熱電偶工作原理有助于設計電路或使用溫度計。

熱電偶工作原理

向一段金屬絲施加一個電壓源時，電流從正端流向負端，金屬絲發熱，造成一部分能量損耗。托馬斯·塞貝克在1821年發現的塞貝克效應則是一種反向現象：向一段金屬絲應用某種溫度梯度時，會產生一個電勢。這就是熱電偶的物理基礎。

(式1)

式中，?V為電壓梯度，?T為溫度梯度，S(T)為塞貝克系數。塞貝克系數與材料相關，并且也是溫度的函數。一段金屬絲上兩個不同溫度點之間的電壓等于塞貝克系數函數在溫度上的積分。

(式2)

例如，圖1中的T1、T2和T3表示一段金屬絲上不同位置點的溫度。T1 (藍色)表示較低溫度點，T3(紅色)表示較高溫度點。T2和T1之間的電壓為：

(式3)

類似地，T3和T1之間的電壓為：

(式4)

根據積分的可加性，V31也等于：

(式5)

我們在討論熱電偶的電壓與溫度轉換時，要牢記這一點。

圖1：根據塞貝克系數，溫度梯度在傳導性金屬上產生電壓。

熱電偶由兩種不同的金屬組成，金屬絲的塞貝克系數S(T)一般不同。既然一種金屬上的溫度差即可產生電壓差，為什么必須使用兩種金屬呢？假設圖2中的金屬絲是由材料“A”制成的。如果一塊電壓表的探頭也是由材料A制成的，理論上說，電壓表將檢測不到任何電壓。

圖2：電壓測量連接。當探頭和金屬絲的材料相同時，將不存在電勢差。

原因是當探頭連接到金屬絲末端時，相當于將金屬絲延長了。長金屬絲的兩個末端連接到電壓表的輸入，具有相同的溫度(TM)。如果金屬絲兩個末端的溫度相同，則不會產生電壓。 為了在數學上證明這一點，我們計算從電壓表正端到負端的整個金屬環上累積的電壓。

(式6)

根據積分的可加性，上式變為：

(式7)

當積分的下邊界和上邊界相同時，積分的結果為V=0。 如果探頭材料為B，如圖3所示，那么：

(式8)

將上式簡化，我們得到：

(式9)

式9表明，測量電壓等于兩種材料的塞貝克系數函數之差的積分。這就是熱電偶使用兩種異金屬的原因。

圖3：電壓測量連接。探頭和金屬絲采用不同的材料，說明了塞貝克系數的物理現實。

Material A: 材料A

Material B: 材料B

Voltmeter: 電壓表

根據圖3中的電路和式9，假設SA(T)、SB(T)以及被測電壓已知，我們仍然不能計算得到熱端的溫度(TH)，除非我們已知冷端的溫度(TC)。在熱電偶的早期階段，使用溫度為0°C的冰點爐作為參考溫度(術語“冷端”由此而來)，因為這種方法的成本低、容易實現，并且能夠自我調節溫度。等效電路如見圖4所示。

圖4：熱電偶需要一個參考溫度，圖中所示的0°C，以便計算未知溫度TH。

盡管我們知道圖4所示電路的參考溫度，但通過積分來得到TH不太切合實際。于是出現了支持常見熱電偶類型的標準參考表，通過查表即可得到相應電壓輸出的對應溫度。但是，必須牢記一點：所有標準熱電偶參考表都是以0°C作為參考點繪制的。

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