熱電偶是一種簡(jiǎn)單的溫度測(cè)量裝置，由兩種不同金屬組成。1822年，托馬斯?塞貝克發(fā)現(xiàn)了熱電偶原理。塞貝克發(fā)現(xiàn)不同的金屬將產(chǎn)生不同的、與溫度梯度有關(guān)的電勢(shì)。如果這些金屬焊接在一起構(gòu)成溫度傳感器結(jié)(TJUNC，也稱為溫度結(jié))，另一端未連接的差分結(jié)(TCOLD，作為恒溫參考端)上將呈現(xiàn)出電壓VOUT，該電壓與焊接結(jié)的溫度成正比。從而使熱電偶輸出隨溫度變化的電壓，無(wú)需任何電壓或電流激勵(lì)。VOUT溫差(TJUNC - TCOLD)是金屬1及金屬2的金屬類型的函數(shù)。該函數(shù)在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST) ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)中嚴(yán)格定義，覆蓋了絕大多數(shù)實(shí)用金屬1和金屬2組合。利用該數(shù)據(jù)庫(kù)，可根據(jù)VOUT測(cè)量值計(jì)算相對(duì)溫度TJUNC。然而，由于熱電偶以差分方式測(cè)量TJUNC，為了確定溫度結(jié)的實(shí)測(cè)溫度，就必須知道冷端絕對(duì)溫度(單位為°C、°F或K)。所有現(xiàn)代熱電偶系統(tǒng)都利用另一絕對(duì)溫度傳感器(PRTD、硅傳感器等)精密測(cè)量冷端溫度，并進(jìn)行數(shù)學(xué)補(bǔ)償。

熱電偶廣泛用于各種溫度檢測(cè)。熱電偶設(shè)計(jì)的最新進(jìn)展，以及新標(biāo)準(zhǔn)和算法的出現(xiàn)，大大擴(kuò)展了工作溫度范圍和精度。目前，溫度檢測(cè)可以在-270°C至+1750°C寬范圍內(nèi)達(dá)到±0.1°C的精度。熱電偶的類型各種各樣，但是針對(duì)具體的工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境可以選擇最適合的異金屬對(duì)。這些金屬或合金組合被NIST及國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化，簡(jiǎn)寫為E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC為每種熱電偶類型開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型。這些冪級(jí)數(shù)模型采用獨(dú)特的系數(shù)組合，每種熱電偶類型及不同溫度范圍的系數(shù)都不同。下表所示為部分常見熱電偶類型。

J型熱電偶具有相對(duì)較高的塞貝克系數(shù)、高精度和低成本，應(yīng)用廣泛。這些熱電偶使用相對(duì)簡(jiǎn)單的線性化算法，即可達(dá)到±0.1°C的測(cè)量精度。K型熱電偶覆蓋的溫度范圍寬，在工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。這些熱電偶具有適中的高塞貝克系數(shù)、低成本及良好的抗氧化性。K型熱電偶的精度高達(dá)±0.1°C。E型熱電偶的應(yīng)用沒有其它類型熱電偶普及。然而，這組熱電偶的塞貝克系數(shù)最高。E型熱電偶所需的測(cè)量分辨率低于其它類型。E型熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)到±0.5°C，需要的線性化計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜。S型熱電偶由鉑和銠組成，這對(duì)組合能夠在非常高的氧化環(huán)境下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可復(fù)現(xiàn)的測(cè)量。S型熱電偶的塞貝克系數(shù)較低，成本相對(duì)較高。S型熱電偶的測(cè)量精度可達(dá)到±1°C，需要的線性化算法相對(duì)復(fù)雜。

熱電偶為電壓發(fā)生裝置。但是，大多數(shù)常見熱電偶的輸出電壓作為溫度的函數(shù)呈現(xiàn)非常高的非線性。如果沒有經(jīng)過適當(dāng)補(bǔ)償，常見的工業(yè)K型熱電偶的非線性誤差會(huì)超過數(shù)十?dāng)z氏度。

K型熱電偶的輸出電壓和溫度關(guān)系圖。曲線在-50°C至+350°C范圍內(nèi)線性度較好；在低于-50°C和高于+350°C時(shí)，相對(duì)于絕對(duì)線性度存在明顯偏差。

相對(duì)于直線逼近的偏差，假設(shè)線性輸出為從-50°C至+350°C，平均靈敏度為k = 41μV/°C。

IEC采用的NIST ITS-90等現(xiàn)代熱電偶標(biāo)準(zhǔn)化處理、查找表和公式數(shù)據(jù)庫(kù)，是當(dāng)前系統(tǒng)間互換熱電偶類型的基礎(chǔ)。通過這些標(biāo)準(zhǔn)，熱電偶很容易由相同或不同制造商的其它熱電偶所替代，而且經(jīng)過最少的系統(tǒng)設(shè)計(jì)更新或校準(zhǔn)即可確保性能指標(biāo)。NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)提供了詳細(xì)的查找表。通過使用標(biāo)準(zhǔn)化多項(xiàng)式系數(shù)，還可利用多項(xiàng)式在非常寬的溫度范圍內(nèi)將熱電偶電壓換算成溫度(°C)。根據(jù)NIST ITS-90熱電偶數(shù)據(jù)庫(kù)，多項(xiàng)式系數(shù)為：T = d0 + d1E + d2E2 + ... dNEN

式中：T為溫度，單位為°C；E為VOUT，熱電偶輸出，單位為mV；dN為多項(xiàng)式系數(shù)，每一熱電偶的系數(shù)是唯一的；N = 多項(xiàng)式的最大階數(shù)。

K型熱電偶的NIST (NBS)多項(xiàng)式系數(shù)。

利用表中的多項(xiàng)式系數(shù)，能夠在-200°C至+1372°C溫度范圍內(nèi)以優(yōu)于±0.1°C的精度計(jì)算溫度T。大多數(shù)常見熱電偶都有不同系數(shù)表可用。同樣，在-200°C至0、0至+500°C和+500°C至+1372°C溫度范圍也可以找到類似的NIST ITS-90系統(tǒng)，能夠以更高精度(低于±0.1°C，相對(duì)于±0.7°C)計(jì)算溫度。K型熱電偶在-50°C至+350°C范圍內(nèi)的線性度適當(dāng)。對(duì)于有些不太嚴(yán)格的應(yīng)用，線性逼近公式能大大降低計(jì)算量和復(fù)雜度。近似絕對(duì)溫度可計(jì)算為：，式中：E為實(shí)測(cè)熱電偶輸出，單位為mV；Tabs為K型熱電偶的絕對(duì)溫度，單位為°C；Tcj為PT1000實(shí)測(cè)的熱電偶冷端溫度，單位為°C；Ecj為利用Tcj計(jì)算得到的冷端熱電偶等效輸出，單位為mV。

所以：k = 0.041mV/°C——從-50°C至+350°C范圍內(nèi)的平均靈敏度，然而，為了在更寬的溫度范圍(-270°C至+1372°C)內(nèi)精密測(cè)量，強(qiáng)烈建議采用多項(xiàng)式和系數(shù)(根據(jù)NIST ITS-90)：Tabs = ?(E + Ecj)，式中：Tabs為K型熱電偶的絕對(duì)溫度，單位為°C；E為實(shí)測(cè)熱電偶輸出，單位為mV；Ecj為利用Tcj計(jì)算得到的冷端熱電偶等效輸出，單位為mV；f為多項(xiàng)式函數(shù)；TCOLD為PT1000實(shí)測(cè)的熱電偶的冷端溫度，單位為°C。澤天傳感整理，轉(zhuǎn)載請(qǐng)保留。