熱電偶工作原理
2021.11.20
塞貝克效應(yīng) ：若金屬棒的兩端處在不同溫度時(shí)，則自由電子便會由高溫區(qū)擴(kuò)散至低溫區(qū)，因而產(chǎn)生熱流及電流由高溫區(qū)傳流向低溫區(qū)的現(xiàn)象。
熱電偶 (Thermocouple)：使兩接點(diǎn)分別接觸到不同的溫度，則因在不同金屬內(nèi)導(dǎo)電子的擴(kuò)散速率不同，所以，在兩金屬內(nèi)的擴(kuò)散電流大小也會不同，因此會在兩金屬的連結(jié)回路中會形成一微小的凈電流(約10μV左右)，這個(gè)實(shí)踐也可自己找兩條不同材料的金屬線連接到一起加溫觀察萬用表讀數(shù)。
但許多實(shí)際狀況下，冷端溫度并不是0℃，而是某一溫度tn，因此在使用分度表時(shí)，必須對所測量得的電動勢進(jìn)行下式的修正：
ε(T,0) = ε(T, Tn) + ε(Tn, 0)
熱偶電動勢 = 儀表測量值 + 室溫修正值
熱電偶信號檢測：
無法用萬用表直接測量塞貝克效應(yīng)之電壓，因萬用表接線與熱電偶接線又會產(chǎn)生新的熱電偶接面電壓。
電表接線與熱電偶接線的熱電偶接面電壓由“差動放大器”共模增益抵銷。
待測熱電偶接面電壓及參考熱電偶接面電壓由“差動放大器”差模增益放大。
熱電偶之特性:
1、可量測之溫度范圍廣泛，且傳感器大多已規(guī)格化。
2、熱電偶的使用溫度與金屬線徑大小、材料有關(guān)
3、不必附加其它電源來驅(qū)動傳感器
4、可由電路的設(shè)計(jì)獲得之度
熱電偶種類及工作溫度：
熱電偶溫度計(jì)的類別名稱(type of thermocouple) 測定溫度范圍(℃) 熱電動勢(mV) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 材料 + - 高溫用 K -200~1200 -5.89/-200℃48.8/1200℃
1、廣泛應(yīng)用于工業(yè)
2、抗酸性佳
具線性性質(zhì)
1、不適用于CO冀肭硫酸瓦斯中
2、在高溫還原性空氣中會劣化 鉻-鎳 鋁、錳、硅等鎳合金 中溫用 E -200~800 -8.82/-200℃
61.02/800℃ 1.具有之熱電動勢
1、不可耐于還原性空氣中使用
2、 鉻-鎳 鎳-銅 J -200~350 -7.89/-200℃
72.28/750℃ 1.可耐于還原性空氣中使用 1.容易生銹 鐵 鎳-銅 低溫用 T -200~350 -5.6/-200℃
17.82/350℃ 1.在弱酸性、還原性空氣中很安定 1.300℃以上銅會氧化 銅 鎳-銅 超高溫用 B 500~1700 1.24/500℃
12.4/1700℃ 1.能耐于酸性空氣中 1.不可耐于還原性空氣中使用 30%銠-鉑6%銠-鉑 R 0~1600 0/0℃
18.84/1600℃ 13%銠-鉑 鉑 S 0~1600 -7.89/-200℃
72.28/750℃ 10%銠-鉑 鉑
熱電偶工作溫度與線徑關(guān)系：
熱電偶種類 線徑(㎜) 常用溫度(℃) 常用溫度(℃)
K：0.65 650 850 1.00 750 950 1.60 850 1050 2.30 900 1100 3.20 1000 1200
E：0.65 450 500 1.00 500 550 1.60 550 650 2.30 600 750 3.20 700 800
J：0.65 400 500 1.00 450 550 1.60 500 650 2.30 550 750 3.20 600 750
T：0.32 200 250 0.65 200 250 1.00 250 300 1.6 300 350
B：0.50 1500 1700
RS：0.50 1400 1600
熱電偶量測溫度誤差值探討
一、 計(jì)測器的誤差：
溫度讀數(shù)由溫度控制器、記錄器、電壓表(mv)等顯示之。而這些儀表都有或多或少的公差度。如分壓式電壓表誤差量在0.001%加上0.01Μv以上。數(shù)字式溫度控制器誤差量至少為0.25%乘全程范圍加上一位數(shù)字的誤差度。
二、 熱電偶線的誤差 ：
熱電偶線料因各國標(biāo)準(zhǔn)不一，誤差度也就不同。如美國ANSI TYPE K普通級±2.2℃或0.75%，精密級±1.1℃或0.4%、日本JIS TYPE K普通級±2.5℃或0.75%，精密級±1.5℃或0.4%。
三、 基準(zhǔn)接點(diǎn)的誤差 ：
基準(zhǔn)接點(diǎn)﹙冷接點(diǎn)﹚在校準(zhǔn)作業(yè)上使用冰水槽時(shí)可能產(chǎn)生0.05℃到1℃的誤差，熱電偶在現(xiàn)場使用時(shí)，只要補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶線的熱電效應(yīng)相同，且兩接點(diǎn)均處于相同的溫度時(shí)，不會影響此一回路電動勢的大小。
四、 補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差：
延長線料的校準(zhǔn)不可靠度，約為熱電偶線的兩倍，因線料不同，區(qū)分為素線級﹙熱偶線﹚，導(dǎo)線級兩種，誤差度大致與熱電偶線相同，惟使用延長線時(shí)，須保持適當(dāng)?shù)牡蜏?，否則將造成很大的誤差。
五、 熱傳導(dǎo)造成的誤差： ﹙俗稱熱短路
熱電偶一端在熱流板，另一端熱流板外，若熱電偶插入長度不夠時(shí)，造成熱流板內(nèi)的熱能經(jīng)由保護(hù)管熱傳系數(shù)來決定，約為保護(hù)管和熱電偶線傳到熱流板外，而熱流板外溫度傳入熱流板，形成熱對流造成量測上的誤差，一般視保護(hù)管熱傳系數(shù)來決定，約為保護(hù)管直徑的10~20倍。
六、 絕緣不良的誤差： ﹙俗稱電短路﹚
熱電偶在高溫時(shí)，絕緣電阻下降，以致引起兩線間短路的現(xiàn)象，其誤差值可達(dá)量測溫度的1%～10%以上，有時(shí)為正，有時(shí)為負(fù)，依其短路的位置而定。
七、 磁力效應(yīng)造成的誤差：
熱電偶線或補(bǔ)償導(dǎo)線，受磁場干擾時(shí)，使金屬材料中的電子移動遭受影響，而改變材質(zhì)的電動勢。
誘導(dǎo)性磁場：變壓器、馬達(dá)所產(chǎn)生的磁場，導(dǎo)線用銅網(wǎng)鐵網(wǎng)遮蔽。
電流性磁場：電氣電纜中的電流產(chǎn)生的磁場，導(dǎo)線用銅鉑遮蔽。
八、 磨擦造成的誤差：
熱電偶和高速流體﹙氣體、液體﹚磨擦所產(chǎn)生的熱能造成誤差。
九、 熱輻射造成的誤差：
熱電偶太靠近熱源，而因輻射熱造成量測溫度比實(shí)際溫度偏高。
十、 自生熱造成的誤差：
功率：電流平方x電阻，因閉回路中產(chǎn)生電流而使傳感器﹙熱偶線、白金測溫體﹚自身產(chǎn)生熱能產(chǎn)生誤差。此一效應(yīng)在電阻式溫度計(jì)更為明顯，在選購時(shí)使用低電流者，以提高量測的精密度
熱電偶 (Thermocouple)：使兩接點(diǎn)分別接觸到不同的溫度，則因在不同金屬內(nèi)導(dǎo)電子的擴(kuò)散速率不同，所以，在兩金屬內(nèi)的擴(kuò)散電流大小也會不同，因此會在兩金屬的連結(jié)回路中會形成一微小的凈電流(約10μV左右)，這個(gè)實(shí)踐也可自己找兩條不同材料的金屬線連接到一起加溫觀察萬用表讀數(shù)。
但許多實(shí)際狀況下，冷端溫度并不是0℃，而是某一溫度tn，因此在使用分度表時(shí)，必須對所測量得的電動勢進(jìn)行下式的修正：
ε(T,0) = ε(T, Tn) + ε(Tn, 0)
熱偶電動勢 = 儀表測量值 + 室溫修正值
熱電偶信號檢測：
無法用萬用表直接測量塞貝克效應(yīng)之電壓，因萬用表接線與熱電偶接線又會產(chǎn)生新的熱電偶接面電壓。
電表接線與熱電偶接線的熱電偶接面電壓由“差動放大器”共模增益抵銷。
待測熱電偶接面電壓及參考熱電偶接面電壓由“差動放大器”差模增益放大。
熱電偶之特性:
1、可量測之溫度范圍廣泛，且傳感器大多已規(guī)格化。
2、熱電偶的使用溫度與金屬線徑大小、材料有關(guān)
3、不必附加其它電源來驅(qū)動傳感器
4、可由電路的設(shè)計(jì)獲得之度
熱電偶種類及工作溫度：
熱電偶溫度計(jì)的類別名稱(type of thermocouple) 測定溫度范圍(℃) 熱電動勢(mV) 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 材料 + - 高溫用 K -200~1200 -5.89/-200℃48.8/1200℃
1、廣泛應(yīng)用于工業(yè)
2、抗酸性佳
具線性性質(zhì)
1、不適用于CO冀肭硫酸瓦斯中
2、在高溫還原性空氣中會劣化 鉻-鎳 鋁、錳、硅等鎳合金 中溫用 E -200~800 -8.82/-200℃
61.02/800℃ 1.具有之熱電動勢
1、不可耐于還原性空氣中使用
2、 鉻-鎳 鎳-銅 J -200~350 -7.89/-200℃
72.28/750℃ 1.可耐于還原性空氣中使用 1.容易生銹 鐵 鎳-銅 低溫用 T -200~350 -5.6/-200℃
17.82/350℃ 1.在弱酸性、還原性空氣中很安定 1.300℃以上銅會氧化 銅 鎳-銅 超高溫用 B 500~1700 1.24/500℃
12.4/1700℃ 1.能耐于酸性空氣中 1.不可耐于還原性空氣中使用 30%銠-鉑6%銠-鉑 R 0~1600 0/0℃
18.84/1600℃ 13%銠-鉑 鉑 S 0~1600 -7.89/-200℃
72.28/750℃ 10%銠-鉑 鉑
熱電偶工作溫度與線徑關(guān)系：
熱電偶種類 線徑(㎜) 常用溫度(℃) 常用溫度(℃)
K：0.65 650 850 1.00 750 950 1.60 850 1050 2.30 900 1100 3.20 1000 1200
E：0.65 450 500 1.00 500 550 1.60 550 650 2.30 600 750 3.20 700 800
J：0.65 400 500 1.00 450 550 1.60 500 650 2.30 550 750 3.20 600 750
T：0.32 200 250 0.65 200 250 1.00 250 300 1.6 300 350
B：0.50 1500 1700
RS：0.50 1400 1600
熱電偶量測溫度誤差值探討
一、 計(jì)測器的誤差：
溫度讀數(shù)由溫度控制器、記錄器、電壓表(mv)等顯示之。而這些儀表都有或多或少的公差度。如分壓式電壓表誤差量在0.001%加上0.01Μv以上。數(shù)字式溫度控制器誤差量至少為0.25%乘全程范圍加上一位數(shù)字的誤差度。
二、 熱電偶線的誤差 ：
熱電偶線料因各國標(biāo)準(zhǔn)不一，誤差度也就不同。如美國ANSI TYPE K普通級±2.2℃或0.75%，精密級±1.1℃或0.4%、日本JIS TYPE K普通級±2.5℃或0.75%，精密級±1.5℃或0.4%。
三、 基準(zhǔn)接點(diǎn)的誤差 ：
基準(zhǔn)接點(diǎn)﹙冷接點(diǎn)﹚在校準(zhǔn)作業(yè)上使用冰水槽時(shí)可能產(chǎn)生0.05℃到1℃的誤差，熱電偶在現(xiàn)場使用時(shí)，只要補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶線的熱電效應(yīng)相同，且兩接點(diǎn)均處于相同的溫度時(shí)，不會影響此一回路電動勢的大小。
四、 補(bǔ)償導(dǎo)線的誤差：
延長線料的校準(zhǔn)不可靠度，約為熱電偶線的兩倍，因線料不同，區(qū)分為素線級﹙熱偶線﹚，導(dǎo)線級兩種，誤差度大致與熱電偶線相同，惟使用延長線時(shí)，須保持適當(dāng)?shù)牡蜏?，否則將造成很大的誤差。
五、 熱傳導(dǎo)造成的誤差： ﹙俗稱熱短路
熱電偶一端在熱流板，另一端熱流板外，若熱電偶插入長度不夠時(shí)，造成熱流板內(nèi)的熱能經(jīng)由保護(hù)管熱傳系數(shù)來決定，約為保護(hù)管和熱電偶線傳到熱流板外，而熱流板外溫度傳入熱流板，形成熱對流造成量測上的誤差，一般視保護(hù)管熱傳系數(shù)來決定，約為保護(hù)管直徑的10~20倍。
六、 絕緣不良的誤差： ﹙俗稱電短路﹚
熱電偶在高溫時(shí)，絕緣電阻下降，以致引起兩線間短路的現(xiàn)象，其誤差值可達(dá)量測溫度的1%～10%以上，有時(shí)為正，有時(shí)為負(fù)，依其短路的位置而定。
七、 磁力效應(yīng)造成的誤差：
熱電偶線或補(bǔ)償導(dǎo)線，受磁場干擾時(shí)，使金屬材料中的電子移動遭受影響，而改變材質(zhì)的電動勢。
誘導(dǎo)性磁場：變壓器、馬達(dá)所產(chǎn)生的磁場，導(dǎo)線用銅網(wǎng)鐵網(wǎng)遮蔽。
電流性磁場：電氣電纜中的電流產(chǎn)生的磁場，導(dǎo)線用銅鉑遮蔽。
八、 磨擦造成的誤差：
熱電偶和高速流體﹙氣體、液體﹚磨擦所產(chǎn)生的熱能造成誤差。
九、 熱輻射造成的誤差：
熱電偶太靠近熱源，而因輻射熱造成量測溫度比實(shí)際溫度偏高。
十、 自生熱造成的誤差：
功率：電流平方x電阻，因閉回路中產(chǎn)生電流而使傳感器﹙熱偶線、白金測溫體﹚自身產(chǎn)生熱能產(chǎn)生誤差。此一效應(yīng)在電阻式溫度計(jì)更為明顯，在選購時(shí)使用低電流者，以提高量測的精密度
