熱電偶基礎——利用塞貝克效應進行溫度測量

了解塞貝克效應以及塞貝克電壓和塞貝克系數如何在熱電偶和溫度測量范圍內發揮作用。

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是控制熱電偶操作的基本原理。塞貝克效應描述了金屬線兩端之間的溫差（ΔT）如何在導線長度上產生電壓差（ΔV）。這種效應的特征如下：

方程式1。

其中S表示材料的塞貝克效應。該方程式也可表示為：

方程式2。

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

單個材料的塞貝克效應：銅線示例

方程式1表明，通過具有材料的塞貝克系數，導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置。

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

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生塞貝克電壓，我們應該將這些部件保持在恒溫下。例如，我們可以將測量系統保持在25°C，如圖2所示。

顯示25°C恒溫的示例設置。

圖2:顯示25°C恒溫的示例設置。

在這個例子中，需要另一個導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。這是因為它也會經歷與原始銅線相同的溫度梯度，導致金屬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。確定絕對塞貝克系數的一種常見方法是應用開爾文關系。

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的材料來產生與溫度梯度成比例的電壓差。例如，對于0°C時塞貝克系數為+1.5μV/°C的銅，我們可以使用0°C下塞貝克系數絕對值為-40μV/℃的康銅線。用康銅線代替“金屬2”，萬用表應測量3112.5μV的電壓差，計算如下：

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

熱電偶溫度傳感器——熱電偶類型和塞貝克系數

因此，可以使用在一端焊接在一起的兩個不同導體來創建溫度傳感器。這種被稱為熱電偶的溫度傳感器的結構如圖3所示。

熱電偶溫度傳感器的示例結構。

圖3。熱電偶溫度傳感器的示例結構。

兩種不同金屬耦合的結稱為測量（或熱）結。傳感器連接到測量系統的另一端稱為參考（或冷）接頭。通常需要一個由導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和參考結之間的溫差，而不是這些結的絕對溫度。參考結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塞貝克系數（或靈敏度）。例如，T型熱電偶在0°C時的塞貝克系數通常被指定為約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與溫度的關系。

T、J和K型熱電偶的塞貝克系數與溫度的關系。

圖4。T、J和K型熱電偶的塞貝克系數與溫度的關系。圖片由ADI公司提供

上述曲線是在0°C的參考結下獲得的。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，因此人們經常誤解塞貝克電壓是連接不同金屬的結果。我們現在知道，當存在溫度梯度時，單一導電材料可以產生塞貝克電壓。

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生的。塞貝克電壓沿著經歷溫差的導線長度產生（圖5）。

顯示兩種不同金屬之間塞貝克電壓的設置。

圖5。顯示兩種不同金屬之間塞貝克電壓的設置。圖片由TI提供

該結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，在結處幾乎沒有電壓產生。