标签: 热电偶选型说明

热电偶是一种流行的温度传感器。价格便宜，可更换，拥有标准连接器, 可以测量较大的温度范围.  主要的限制是精度，很难获得小于1°C的系统误差。 工作原理 1822年，一位名叫托马斯 塞贝克的爱沙尼亚内科医生意外发现了两段金属的连接端产生了电压。热电偶即是基于塞贝克效应发明的。虽然任意两种金属就可以做成一个热电偶，但是还是会采用许多标准的型号，因为它们拥有超前的电压输出和较大的温度梯度. 下面的图表显示的是最常用的K型热电偶 附表显示了在任意温度下热电偶所产生的电压，以上图为例，K型热电偶在300°C时可产生12.2mV电压。但是不可以简单的在热电偶上连接电压表进行测量，因为与电压表连接会产生第二个不希望得到的热电偶结点。为了得到较为精确的测量值，必须采用冷端补偿技术（CJC）。 你可能会问为什么在热电偶上连接一个电压表不会产生一些附加的热电偶结点（与热电偶连接的引线，与电压表连接的引线，电压表内部引线等等）, 热电偶中间导体定律描述到：热电偶回路中，接入第三导体，只要第三种导体的两个接头温度相同，则回路中的总热电势不变。 该定律对于热电偶的结点结构来说也是非常重要的，热电偶的结点连接可以采用焊接的方式，只要保证焊锡不会影响测量读数。实际上，尽管热电偶结点都是采用熔接的方式的（通常是采用电容性放电的方式）这样可以保证热电偶的性能不会因熔接点而受到影响。 所有标准的热电偶表格都允许有第二个热电偶结点，只要这个结点是在0°C的情况下。  传统的做法是把该结点放置在冰水融合物中（冷端补偿）采用冰水融合物并不是对大部分的测量设备和应用场合都是适用的，所以需要把热电偶与测量设备的连接点温度记录下来。 典型地，冷端温度是由一个高精度的热敏电阻来传感的，这个热敏电阻与测量的设备之间有很好的热传导关系. 从第三导体与热电偶之间的结点与热电偶本身的结点的测量值可以计算出热电偶末端的确切温度。对于少部分的设备来说，CJC技术由一个半导体温度传感器来实现。这种方法把热电偶的信号与半导体直接相连，最终就可以直接获得准确的测量值，而不需要去记录两个温度再进行计算。理解冷端补偿技术是非常重要的；任何冷端温度测量所产生的误差都会导致热电偶末端测量温度的误差。 线性化 如采用CJC技术一样，测量设备必须还要考虑到热电偶输出非线性这个事实。热电偶测量温度与输出电压的关系是一个复杂的多项式方程（复杂程度取决于热电偶的类型）类似的线性化方法被用在低成本的热电偶仪表上。高精度的设备，例如Pico TC-08，在计算机内存里已经存储了相关的热电偶查询表格，可自动消除这种非线性问题所带来的误差。                热电偶的类型 热电偶可以是裸线式的焊珠热电偶，此类型具有低成本和快速相应时间的特点；也可以是探头式的热电偶。多种探头式的热电偶适合不同类型的测量设备（工业，科研，食品，医药等等）需要提醒的一点是：在选用探头时要首先确定它们具有相匹配的连接头。两种常用的接头类型是标准的圆形插脚接头和小型的平式插脚接头，这导致了一些误会就是：以为小型的接头会比标准的接头更加流行。选择一个热电偶需要考虑热电偶的类型以及绝缘层和探头的结构。所有的这些因素都会给温度的测量范围，测量进度和读数的准确度带来影响。以下显示的是热电偶的类型列表。 K型热电偶（铬镍合金/镍铝合金 ） K型热电偶是一种多功能的热电偶。除了成本较低之外，由于它使用的普遍性，K型热电偶还广泛的在各种探头中使用。K型热电偶可以在-200°C到1200°C的范围内使用。灵敏度约为41 µV/°C。除特殊情况，一般都选用K型热电偶。 E型热电偶（铬镍合金/康铜） E型热电偶具有较高的输出（68 µV/°C），这非常适用于低温度的测量。（低温）另一个特性是它没有磁性。 J型热电偶（铁制/铜镍合金） J型热电偶不及K型的使用得普遍，因为它的测量范围限制在-40°C到750°C之间。最主要的应用场合是某些不能适应新热电偶的就设备。 J型热电偶不可在760°C以上使用因为阶跃的磁性变换会导致永久性减低热电偶的测量精度。 N型热电偶（Nicrosil/Nisil） 高稳定性能与抗高温氧化性能使得N型热电偶适用于高温测量而不用使用昂贵的白金型热电偶（B,R,S型）N型热电偶作为一种改良型的K型热电偶，将会得到更加广泛的使用。B,R,S型热电偶是昂贵金属热电偶，并具有与N型相类似的特性。它们是最稳定的热电偶，但是因为它们的灵敏度较低（约10 µV/°C），所以通常仅被使用在高温测量的环境中（300°C）。 B型热电偶（白金/金铑） 适用于高达1800°C的温度测量。通常B型热电偶会在0°C与42°C有相同的输出（取决于它们的温度/电压特性曲线的形状）这使得不可用于50°C以下的温度测量。 R型热电偶（白金/金铑） 适用于高达1600°C的温度测量。较低的灵敏度（10 µV/°C）以及较高的成本使得它们不能够被普遍的使用。 S型热电偶（白金/金铑） 适用于高达1600°C的温度测量。低灵敏度（10 µV/°C）和较高的成本使得它们不能够被普遍的应用。但是由于它的高稳定性，S型热电偶通常被用于黄金熔点（1064.43°C）的标准测量。在选用热电偶的型号时，必须先确定你所使用的设备在相应的测量温度范围上没有被限制。以下的列表显示了8通道Pico TC-08所能测量的温度范围。  注意低灵敏度的热电偶（B,S与R型）同时也有较低的分辨率 以下图表显示的是在不同温度时热电偶输出的电压值。注意白金热电偶的输出电压较小，这就正好说明了为什么它们不能被用于高温测量。                使用说明与注意事项 产生热电偶大部分的测量问题与误差的原因主要是使用者不能正确使用热电偶。 以下列表显示的是必须清楚的普遍问题以及易犯的错误连接问题。大部分的测量误差都是由于误加热电偶结点产生的。请记住，所有不同金属的连接都会产生一个结点。如果你需要延长热电偶的导线，你必须使用型号匹配的热电偶延长导线（如K型热电偶需K型延长线）使用其他类型的导线会产生一个额外的热电偶结点。所有的连接线都必须采用类型相符的材料以及在连接时极性配对必须正确。 导线电阻。 为了减少热量的分流以及减小相应时间，热电偶由两条细小的导体组成（对于白金热电偶来说，成本也是需要考虑的一方面）这使得热电偶能够具有一个较高的电阻值，进而使得热电偶对噪声具有较高的灵敏度，同时这样也会因为测量设备的输入阻抗而产生误差。典型的热电偶32AWG导线（直径0.25mm）具有15欧姆/米的电阻。Pico TC-08具有2 MΩ电阻，所以对于上述类型的热电偶导线，12米会产生少于0.01%的误差。如果需要细的导体和长的引线，可以在保持热电偶导体较短的情况下采用热电偶延长导线来实现热电偶与测量设备的连接。这样可以在使用前不用去测量热电偶的电阻。 标定等级。 一个随机都有可能改变热电偶结构的过程。这种情况产生的原因是空气颗粒扩散到了金属的测量端。另外一种原因是一些绝缘层的杂质或者是化学物质扩散到热电偶的导线上。如果测量的是高温，那么必须详细检查探头的绝缘层情况。   噪声。 热电偶的输出信号是非常小的，所以很容易受到电信号噪声的干扰。大部分的测量设备（如TC-08）不会受到共模干扰（在两条导线上具有相同的信号），所以噪声可以通过把两条导线连接在一起，使得它们都同时得到相同的噪声信号这种方法来减小。 另外，TC-08集成了一个ADC模块，使得残留的噪声信号得到平衡。如果是工作在一个有非常大噪声的环境中，（例如在一个大的发电机旁）你可以采用具有屏蔽功能的延长如果必须首先考虑噪声的影响，可以关闭所有可能产生设备，然后观察读数是否改变。     共模电压。 虽然热电偶信号非常的小，更大的电压信号总是会存在于测量设备的输入端。这样的大电压会通过感应电压（在测量电机线圈与变压器温度是所产生的问题）或者是接地点产生。 一个由接地点产生大电压的例子是用一个带有绝缘层的热电偶去测量热水管的温度。如果接地不良，那么就会在水管和测量设备的地端产生电压。这些信号同样是共模干扰信号（热电偶的两条导线情况是一样的），但大部分设备的这些信号不会太大，所以不会产生什么问题。  例如，TC-08具有一个共模输入范围：-4V到4V。如果共模电压超出了这个范围，那么就会产生测量误差。减少共模电压的办法是采用相同的布线预防噪声信号，或者是采用带绝缘层的热电偶。   热分流。 所有的热电偶都有一些杂质。加热这些杂质需要热量，这样会影响到你的温度测量。以测量实验试管内液体温度为例：这里存在两个问题。第一个问题是热量会在热电偶的导线上传导并且会散发到空气中，这样会减低导线周围的液体温度。如果热电偶没有充分的与液体接触，也会产生同样的问题。在以上的例子里，具有细导线的热电偶会较好，因为液体与空气接触边界上，热电偶导线有一个较大的温度梯度。如果采用细导线的热电偶，就必须考虑导线的电阻。采用较粗的延长线与细导线热电偶相连接的方法能较好的解决上述矛盾。