温度,无论是在工业还是农业生产过程中都属于很普遍又很重要的指标。测量温度信号使用各种类型的温度传感器实现,如热电偶、热电阻、热敏电阻等。本文主要介绍热电偶测量原理及其类型,以及对热电偶选取的介绍。
 

何为热电偶
两种不同材料的导体或半导体(通常称为热点极)两端接合(接合点 A 与 B)形成回路时候,当两端的接合点 TA≠TB 时,在回路中就会产生电动势,通过温度差变化引起电动势的变化称为热电效应,该电动势又被称为热电势,如图 1 所示。由于该热电势是由两种不同的导体材料产生的,又称之为热电偶。由热电偶的定义可以发现,热电偶可将温度直接转化电信号,使得测量可以很容易简单的进行。

 

图 1 热电效应原理
 

热电偶类型
对于热电偶热电势的产生需要达到如下条件:


1、两种不同材料的导体或半导体;


2、温度差的产生,即 TA≠TB;


改变 TA(称之为测量端,也叫热端)结点温度时,保持 TB(称之为参考端,也叫冷端)处于一恒温状态,就能通过热电势与温度关系得出该两种材料所形成的热电偶分度表,由于热电势指的是 EAB(TA,TB),两端接合点温度差所对应的电势差有关,而温度差相同但温度段不同时对应的信号大小也是不一致的,例如 0~50℃和 50~100℃的温度差相同,但信号大小却是不相同,为了准确测量温度信号就必须把其中一头的温度固定下来,通常分度表的 TB 一般为 0℃。所以从理论上讲,任何两种导体都可以配制为热电偶,但得到的并不全是满足测量需求的,如测温精度、测温范围、测温瞬变程度等。在多年的时间测试了许多种热电材料组合的热电特性,经过百多年的发展已经对产品的规格及性能都已标准化。目前常用的热电偶类型有 8 种,S、R、B、E、T、J、K、N。其中 S、R、B 属于贵金属材料热电偶;E、T、J、K、N 属于廉金属材料热电偶。对于热电偶类型所选用的材料均可在网上找到对应资料。


对于不同型号类型热电偶拥有自己所测量的最优温度区间,将在后续选取中进一步介绍。
 

热电偶测量原理
1、四个热电偶基本经验定律:

均质导体定律:由同一种均质材料两端焊接组成闭合回路时,无论导体两端及其截面温度如何分布,均不产生接触电势,而温差电势相互抵消,总电势为零;


中间导体定律:在热电偶回路中接入中间导体(第三导体),只要中间导体两端温度相同,中间导体的引入对热电偶回路的总电势没有影响;


中间温度定律:热电偶(金属 A 与金属 B)回路两接点(温度为 T,T0)间的热电势,等于热电偶在温度 T,Tn 时的热电势与温度为 Tn,T0 时热电势的代数和,Tn 称为中间温度。

参考电极定律:如果两种导体分别与第三种导体组成的热电偶所产生的热电动势已知,那么由这两种导体所组成的热电偶所产生的热电动势也就已知。


通常我们测量热电偶所产生的热电势时,基本上都会引入第三种材料的导体,如使用万用表测量时,一个简单的模型如下图 2 所示,万用表为金属 C,导体材料金属 A 与金属 B 测量接合端 TA,金属 A 与金属 C 接合端 TB1、金属 B 与金属 C 接合端的 TB2,此时我们发现引入了多个测量的热电势 EAC、EBC,我们最终只想要的热电势是金属 A 与金属 B 处测量端的热电势 EAB。

 

图 2 简单测量模型


通常会使用如下图 3 所示的测量模型,假设万用表处温度相同,则在万用表处的热电势 EAC 会被相互抵消而不影响整个回路,整个回路的热电势都是由金属 A 与金属 B 材料的热电偶产生,进而万用表测量到的电压为 EAB(TA,TB),此时的 TB 称为外部冷端。可以理解的是,由万用表测到的是 TA 与 TB 温度差之间的热电势。

 

图 3 改进的测量模型


图 3 模型中有一个不合适的因素在于万用表处的两端温度在实际应用中并不一定等温,会造成电势差引起的测量误差。这样就继续引出一个更优的模型,如图 4 所示。将万用表处通过金属 C 材料引线引出后,根据均值导体定律,在万用表处无论存在多大温度差都不会有热电势的产生,此时只需要保证 TC1、TC2、TB 三处温度处于同一恒温条件下,整个模型所测到的热电势电压 EAB(TA,TB)为 TA 与 TB 温度差下的热电势。

 

图 4 优化后的模型


根据中间导体定律,下半部分的连接导线可以进一步优化为图 5,由此我们不难发现,下图的模型对于整个系统所测量到的热电势是不变的,依然为 EAB(TA,TB)。所以我们只需要保持后端连接的金属材料一致,能够正确测量等温区温度 TB,就可得出温度 TA。

 

图 5 简化 TC2 后


2、冷端补偿
如图 5,能够知道热电偶的热电势是 EAB(TA,TB),两个接合端温度差所对应的热电势,分度表中以 TB=0℃进行的测量标定,由于自然环境因素,测量环境很少为 0℃,但只要在测量过程中,保持冷端处于较稳定的恒温环境中,就能够把温度给补偿回来,根据中间温度定律:

 

 

那么就可以发现,我们的冷端就相当于中间温度 Tn,而中间温度 Tn 到 0℃的热电势 En0 就必须通过软件或硬件补偿方式进行补偿至系统中。


使用高精度热敏电阻或 IC 温度传感器等测量我们设计的冷端温度,将我们所需要测量到的实际温度 TA 是需要通过如下转化才能够正确得到,此方法为软件补偿,使用软件补偿的优势在于能够兼容多种不同类型热电偶进行测量。


首先将 Tn 指测出,转化为相应热电偶类型所对应的热电势 En,En 加上所通过直接测量到的热电势 EAn 所得到的 EAB 才为测量端 TA 温度到 0℃所对应的热电势,再将 EA0 通过查表得到最终的温度值 TA。补偿的目的在于修正冷端温度 TB≠0℃时的影响。


4、不同工控环境下对热电偶的选取及其优缺点
对于不同的工业环境,所需要到的测温范围以及测温精度是不一样。下面简单介绍各类型热电偶的电极材料及其测温范围,均以 ITS-90 国际温标为准。


S 型:铂铑 10(+)、纯铂(-)、测温范围:-50~1768℃、0.55uV/0.1℃;


R 型:铂铑 13(+)、纯铂(-)、测温范围:-50~1768℃、0.55uV/0.1℃;


B 型:铂铑 30(+)、铂铑 6(-)、测温范围:0~1820℃、0.25uV/0.1℃;


K 型:镍铬(+)、镍硅(-)、测温范围:-270~1372℃、4uV/0.1℃;


T 型:纯铜(+)、铜镍(-)、测温范围:-270~400℃、4uV/0.1℃;


J 型:铁(+)、铜镍(-)、测温范围:-210~1200℃、5uV/0.1℃;


N 型:镍铬硅(+)、镍硅(-)、测温范围:-200~1300℃、2.5uV/0.1℃;


E 型:镍铬(+)、铜镍(-)、测温范围:-270~1000℃、5.6uV/0.1℃。


S 型特点是抗氧化性能强,比较适合在氧化性、惰性气氛中连续使用。在所有热电偶中,S 型的精度最高,常被作为标准热电偶;


R 型与 S 型在性能上基本一致,除了热电势相对 S 较大外;


B 型由于在室温中,所产生的热电势最小,则一般不用做冷端补偿,但在 0~250℃区间,每 10℃的变化只有 1~2uV,所以会有特别大的测量误差,一般不用 B 型热电偶作为低温区间测量,一般使用在 250~1820℃。


三种贵金属材料热电偶都适合高温下且高精度的工控环境中使用,如塑料制作成型、高精度模具制造、化工所用的催化剂等,不属于常用热电偶类型。


K 型抗氧化性能强,比较适合在氧化性、惰性气氛中连续使用,在所有热电偶中使用最广泛;


J 型可用于氧化性气氛,也可用于还原性气氛,并且耐 H2 及 CO 气体腐蚀,多用于化工及炼油;


E 型在常用热电偶中,热电势最大,灵敏度最高,比较适合在氧化性、惰性气氛中连续使用;


N 型在 1300℃以下高温抗氧化性较强,热电势长期稳定性及耐核耐低温性能也不错,在部分测温环境中可代替 S 型使用;


T 型是所有廉价金属热电偶中精度最高的,通常用来测量 300℃以下;


在廉价金属中,K、J、T 用于普通元器件温升测试或开关电源温度测试条件下均较常用,多数据测量情况下以 K、J 型热电偶为主。


总结
对于设计热电偶测量电路时,要着重考虑冷端处对测量的影响,其次是作为冷端补偿时,实际测量到的热电势是两个温度下的温度差还是与 0℃下的温度差;并在必要情况下考虑是做热电偶类型的兼容测量还是只接受单一热电偶的测量要求去进行设计。


对于选取需求用的热电偶要关注所需的测量指标和测量精度进行适当选取型号。