熱電偶工作原理
2021.11.20
塞貝克效應 ：若金屬棒的兩端處在不同溫度時，則自由電子便會由高溫區(qū)擴散至低溫區(qū)，因而產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)：使兩接點分別接觸到不同的溫度，則因在不同金屬內導電子的擴散速率不同，所以，在兩金屬內的擴散電流大小也會不同，因此會在兩金屬的連結回路中會形成一微小的凈電流(約10μV左右)，這個實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，必須對所測量得的電動勢進行下式的修正：
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之電壓，因萬用表接線與熱電偶接線又會產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
3、不必附加其它電源來驅動傳感器
4、可由電路的設計獲得之度
熱電偶種類及工作溫度：
熱電偶溫度計的類別名稱(type of thermocouple) 測定溫度范圍(℃) 熱電動勢(mV) 優(yōu)點 缺點 材料 + - 高溫用 K -200~1200 -5.89/-200℃48.8/1200℃
1、廣泛應用于工業(yè)
2、抗酸性佳
具線性性質
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準不一，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、 基準接點的誤差 ：
基準接點﹙冷接點﹚在校準作業(yè)上使用冰水槽時可能產生0.05℃到1℃的誤差，熱電偶在現(xiàn)場使用時，只要補償導線和熱電偶線的熱電效應相同，且兩接點均處于相同的溫度時，不會影響此一回路電動勢的大小。
四、 補償導線的誤差：
延長線料的校準不可靠度，約為熱電偶線的兩倍，因線料不同，區(qū)分為素線級﹙熱偶線﹚，導線級兩種，誤差度大致與熱電偶線相同，惟使用延長線時，須保持適當?shù)牡蜏?，否則將造成很大的誤差。
五、 熱傳導造成的誤差： ﹙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，造成熱流板內的熱能經由保護管熱傳系數(shù)來決定，約為保護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，一般視保護管熱傳系數(shù)來決定，約為保護管直徑的10~20倍。
六、 絕緣不良的誤差： ﹙俗稱電短路﹚
熱電偶在高溫時，絕緣電阻下降，以致引起兩線間短路的現(xiàn)象，其誤差值可達量測溫度的1%～10%以上，有時為正，有時為負，依其短路的位置而定。
七、 磁力效應造成的誤差：
熱電偶線或補償導線，受磁場干擾時，使金屬材料中的電子移動遭受影響，而改變材質的電動勢。
誘導性磁場：變壓器、馬達所產生的磁場，導線用銅網鐵網遮蔽。
電流性磁場：電氣電纜中的電流產生的磁場，導線用銅鉑遮蔽。
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，因閉回路中產生電流而使傳感器﹙熱偶線、白金測溫體﹚自身產生熱能產生誤差。此一效應在電阻式溫度計更為明顯，在選購時使用低電流者，以提高量測的精密度
熱電偶 (Thermocouple)：使兩接點分別接觸到不同的溫度，則因在不同金屬內導電子的擴散速率不同，所以，在兩金屬內的擴散電流大小也會不同，因此會在兩金屬的連結回路中會形成一微小的凈電流(約10μV左右)，這個實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，必須對所測量得的電動勢進行下式的修正：
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之電壓，因萬用表接線與熱電偶接線又會產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
3、不必附加其它電源來驅動傳感器
4、可由電路的設計獲得之度
熱電偶種類及工作溫度：
熱電偶溫度計的類別名稱(type of thermocouple) 測定溫度范圍(℃) 熱電動勢(mV) 優(yōu)點 缺點 材料 + - 高溫用 K -200~1200 -5.89/-200℃48.8/1200℃
1、廣泛應用于工業(yè)
2、抗酸性佳
具線性性質
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準不一，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、 基準接點的誤差 ：
基準接點﹙冷接點﹚在校準作業(yè)上使用冰水槽時可能產生0.05℃到1℃的誤差，熱電偶在現(xiàn)場使用時，只要補償導線和熱電偶線的熱電效應相同，且兩接點均處于相同的溫度時，不會影響此一回路電動勢的大小。
四、 補償導線的誤差：
延長線料的校準不可靠度，約為熱電偶線的兩倍，因線料不同，區(qū)分為素線級﹙熱偶線﹚，導線級兩種，誤差度大致與熱電偶線相同，惟使用延長線時，須保持適當?shù)牡蜏?，否則將造成很大的誤差。
五、 熱傳導造成的誤差： ﹙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，造成熱流板內的熱能經由保護管熱傳系數(shù)來決定，約為保護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，一般視保護管熱傳系數(shù)來決定，約為保護管直徑的10~20倍。
六、 絕緣不良的誤差： ﹙俗稱電短路﹚
熱電偶在高溫時，絕緣電阻下降，以致引起兩線間短路的現(xiàn)象，其誤差值可達量測溫度的1%～10%以上，有時為正，有時為負，依其短路的位置而定。
七、 磁力效應造成的誤差：
熱電偶線或補償導線，受磁場干擾時，使金屬材料中的電子移動遭受影響，而改變材質的電動勢。
誘導性磁場：變壓器、馬達所產生的磁場，導線用銅網鐵網遮蔽。
電流性磁場：電氣電纜中的電流產生的磁場，導線用銅鉑遮蔽。
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，因閉回路中產生電流而使傳感器﹙熱偶線、白金測溫體﹚自身產生熱能產生誤差。此一效應在電阻式溫度計更為明顯，在選購時使用低電流者，以提高量測的精密度
