熱電偶基礎(chǔ)——利用塞貝克效應(yīng)進行溫度測量

了解塞貝克效應(yīng)以及塞貝克電壓和塞貝克系數(shù)如何在熱電偶和溫度測量范圍內(nèi)發(fā)揮作用。

熱電偶因其堅固耐用、價格相對較低、溫度范圍廣和長期穩(wěn)定性而成為一種流行的溫度傳感器。前一篇文章中討論的塞貝克效應(yīng)是控制熱電偶操作的基本原理。塞貝克效應(yīng)描述了金屬線兩端之間的溫差（ΔT）如何在導(dǎo)線長度上產(chǎn)生電壓差（ΔV）。這種效應(yīng)的特征如下：

方程式1。

其中S表示材料的塞貝克效應(yīng)。該方程式也可表示為：

方程式2。

這里，S（T）強調(diào)塞貝克效應(yīng)是溫度的函數(shù)。請注意，在金屬合金和半導(dǎo)體中也觀察到塞貝克效應(yīng)。讓我們看看如何利用這種效應(yīng)來測量溫度。

單個材料的塞貝克效應(yīng)：銅線示例

方程式1表明，通過具有材料的塞貝克系數(shù)，導(dǎo)體兩端的電壓差可用于確定兩端之間的溫差。雖然這在理論上是正確的，但直接測量單個材料的塞貝克電壓是不可能的。例如，考慮圖1所示的設(shè)置。

一個用于測量銅線兩端電壓的示例。

圖1。測量銅線兩端電壓的示例設(shè)置。

銅線的端部溫度為T1=25°C和T2=100°C。假設(shè)在這個溫度范圍內(nèi)，銅的絕對塞貝克系數(shù)是恒定的，等于+1.5μV/°C。使用方程式1，我們可以得出導(dǎo)線兩端的電壓差為：

萬用表測量的電壓將不同，因為由萬用表引線和萬用表輸入電路組成的路徑也會經(jīng)歷75°C的溫差。萬用表測試引線和輸入電路上不需要的塞貝克電壓會引入錯誤。

避免塞貝克電壓——保持萬用表溫度均勻

為了避免在測試引線和萬用表中產(chǎn)生塞貝克電壓，我們應(yīng)該將這些部件保持在恒溫下。例如，我們可以將測量系統(tǒng)保持在25°C，如圖2所示。

顯示25°C恒溫的示例設(shè)置。

圖2:顯示25°C恒溫的示例設(shè)置。

在這個例子中，需要另一個導(dǎo)體來在黑色測試引線和銅線的熱端之間進行電連接。此連接如圖中的“金屬2”所示。重要的是要注意，銅線不能用于此連接。這是因為它也會經(jīng)歷與原始銅線相同的溫度梯度，導(dǎo)致金屬2兩端的電壓差為：

因此，無論原始銅線上的溫差如何，萬用表都會測量到零伏。上述討論表明了為什么萬用表不能直接測量材料的絕對塞貝克系數(shù)。確定絕對塞貝克系數(shù)的一種常見方法是應(yīng)用開爾文關(guān)系。

熱電測溫需要不同的材料

從上述討論中可以推測，需要具有不等塞貝克系數(shù)的材料來產(chǎn)生與溫度梯度成比例的電壓差。例如，對于0°C時塞貝克系數(shù)為+1.5μV/°C的銅，我們可以使用0°C下塞貝克系數(shù)絕對值為-40μV/℃的康銅線。用康銅線代替“金屬2”，萬用表應(yīng)測量3112.5μV的電壓差，計算如下：

請注意，上述計算假設(shè)銅和康銅的塞貝克系數(shù)是恒定的，并且在感興趣的溫度范圍內(nèi)等于指定值。

熱電偶溫度傳感器——熱電偶類型和塞貝克系數(shù)

因此，可以使用在一端焊接在一起的兩個不同導(dǎo)體來創(chuàng)建溫度傳感器。這種被稱為熱電偶的溫度傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

熱電偶溫度傳感器的示例結(jié)構(gòu)。

圖3。熱電偶溫度傳感器的示例結(jié)構(gòu)。

兩種不同金屬耦合的結(jié)稱為測量（或熱）結(jié)。傳感器連接到測量系統(tǒng)的另一端稱為參考（或冷）接頭。通常需要一個由導(dǎo)熱材料制成的等溫塊來保持熱電偶的引線處于相同的溫度。

請注意，熱電偶測量的是測量結(jié)和參考結(jié)之間的溫差，而不是這些結(jié)的絕對溫度。參考結(jié)處的開路電壓與兩端之間的溫差成正比。

通過將銅線連接到康銅線上而產(chǎn)生的熱電偶被稱為T型熱電偶。其他常見的熱電偶類型有：

J（鐵康銅）

K（鉻鋁合金）

S（鉑（10%）/銠-鉑）

制造商通常以表格、圖表或方程式的形式指定熱電偶類型的總?cè)惪讼禂?shù)（或靈敏度）。例如，T型熱電偶在0°C時的塞貝克系數(shù)通常被指定為約39μV/°C，這接近我們上面從單個使用的金屬/合金中獲得的值（41.5μV/℃）。我們知道這個靈敏度值會隨著溫度而變化。圖4顯示了T型、J型和K型熱電偶的塞貝克系數(shù)與溫度的關(guān)系。

T、J和K型熱電偶的塞貝克系數(shù)與溫度的關(guān)系。

圖4。T、J和K型熱電偶的塞貝克系數(shù)與溫度的關(guān)系。圖片由ADI公司提供

上述曲線是在0°C的參考結(jié)下獲得的。在下一篇文章中，我們將更詳細地討論這些測量的設(shè)置，并了解如何在實踐中使用這些信息。

熱電偶對塞貝克電壓的誤解

盡管大多數(shù)工程師都熟悉熱電偶，但有一些常見的誤解。由于熱電偶使用一端連接的兩種不同金屬來測量溫度，因此人們經(jīng)常誤解塞貝克電壓是連接不同金屬的結(jié)果。我們現(xiàn)在知道，當存在溫度梯度時，單一導(dǎo)電材料可以產(chǎn)生塞貝克電壓。

同樣重要的是要記住，塞貝克電壓不是在兩種不同金屬的接合處產(chǎn)生的。塞貝克電壓沿著經(jīng)歷溫差的導(dǎo)線長度產(chǎn)生（圖5）。

顯示兩種不同金屬之間塞貝克電壓的設(shè)置。

圖5。顯示兩種不同金屬之間塞貝克電壓的設(shè)置。圖片由TI提供

該結(jié)在不同金屬之間提供電連接，并放置在需要測量溫度的地方。然而，在結(jié)處幾乎沒有電壓產(chǎn)生。