热电偶基础——利用塞贝克效应进行温度测量

了解塞贝克效应以及塞贝克电压和塞贝克系数如何在热电偶和温度测量范围内发挥作用。

热电偶因其坚固耐用、价格相对较低、温度范围广和长期稳定性而成为一种流行的温度传感器。前一篇文章中讨论的塞贝克效应是控制热电偶操作的基本原理。塞贝克效应描述了金属线两端之间的温差（ΔT）如何在导线长度上产生电压差（ΔV）。这种效应的特征如下：

方程式1。

其中S表示材料的塞贝克效应。该方程式也可表示为：

方程式2。

这里，S（T）强调塞贝克效应是温度的函数。请注意，在金属合金和半导体中也观察到塞贝克效应。让我们看看如何利用这种效应来测量温度。

单个材料的塞贝克效应：铜线示例

方程式1表明，通过具有材料的塞贝克系数，导体两端的电压差可用于确定两端之间的温差。虽然这在理论上是正确的，但直接测量单个材料的塞贝克电压是不可能的。例如，考虑图1所示的设置。

一个用于测量铜线两端电压的示例。

图1。测量铜线两端电压的示例设置。

铜线的端部温度为T1=25°C和T2=100°C。假设在这个温度范围内，铜的绝对塞贝克系数是恒定的，等于+1.5μV/°C。使用方程式1，我们可以得出导线两端的电压差为：

万用表测量的电压将不同，因为由万用表引线和万用表输入电路组成的路径也会经历75°C的温差。万用表测试引线和输入电路上不需要的塞贝克电压会引入错误。

避免塞贝克电压——保持万用表温度均匀

为了避免在测试引线和万用表中产生塞贝克电压，我们应该将这些部件保持在恒温下。例如，我们可以将测量系统保持在25°C，如图2所示。

显示25°C恒温的示例设置。

图2:显示25°C恒温的示例设置。

在这个例子中，需要另一个导体来在黑色测试引线和铜线的热端之间进行电连接。此连接如图中的“金属2”所示。重要的是要注意，铜线不能用于此连接。这是因为它也会经历与原始铜线相同的温度梯度，导致金属2两端的电压差为：

因此，无论原始铜线上的温差如何，万用表都会测量到零伏。上述讨论表明了为什么万用表不能直接测量材料的绝对塞贝克系数。确定绝对塞贝克系数的一种常见方法是应用开尔文关系。

热电测温需要不同的材料

从上述讨论中可以推测，需要具有不等塞贝克系数的材料来产生与温度梯度成比例的电压差。例如，对于0°C时塞贝克系数为+1.5μV/°C的铜，我们可以使用0°C下塞贝克系数绝对值为-40μV/℃的康铜线。用康铜线代替“金属2”，万用表应测量3112.5μV的电压差，计算如下：

请注意，上述计算假设铜和康铜的塞贝克系数是恒定的，并且在感兴趣的温度范围内等于指定值。

热电偶温度传感器——热电偶类型和塞贝克系数

因此，可以使用在一端焊接在一起的两个不同导体来创建温度传感器。这种被称为热电偶的温度传感器的结构如图3所示。

热电偶温度传感器的示例结构。

图3。热电偶温度传感器的示例结构。

两种不同金属耦合的结称为测量（或热）结。传感器连接到测量系统的另一端称为参考（或冷）接头。通常需要一个由导热材料制成的等温块来保持热电偶的引线处于相同的温度。

请注意，热电偶测量的是测量结和参考结之间的温差，而不是这些结的绝对温度。参考结处的开路电压与两端之间的温差成正比。

通过将铜线连接到康铜线上而产生的热电偶被称为T型热电偶。其他常见的热电偶类型有：

J（铁康铜）

K（铬铝合金）

S（铂（10%）/铑-铂）

制造商通常以表格、图表或方程式的形式指定热电偶类型的总塞贝克系数（或灵敏度）。例如，T型热电偶在0°C时的塞贝克系数通常被指定为约39µV/°C，这接近我们上面从单个使用的金属/合金中获得的值（41.5µV/℃）。我们知道这个灵敏度值会随着温度而变化。图4显示了T型、J型和K型热电偶的塞贝克系数与温度的关系。

T、J和K型热电偶的塞贝克系数与温度的关系。

图4。T、J和K型热电偶的塞贝克系数与温度的关系。图片由ADI公司提供

上述曲线是在0°C的参考结下获得的。在下一篇文章中，我们将更详细地讨论这些测量的设置，并了解如何在实践中使用这些信息。

热电偶对塞贝克电压的误解

尽管大多数工程师都熟悉热电偶，但有一些常见的误解。由于热电偶使用一端连接的两种不同金属来测量温度，因此人们经常误解塞贝克电压是连接不同金属的结果。我们现在知道，当存在温度梯度时，单一导电材料可以产生塞贝克电压。

同样重要的是要记住，塞贝克电压不是在两种不同金属的接合处产生的。塞贝克电压沿着经历温差的导线长度产生（图5）。

显示两种不同金属之间塞贝克电压的设置。

图5。显示两种不同金属之间塞贝克电压的设置。图片由TI提供

该结在不同金属之间提供电连接，并放置在需要测量温度的地方。然而，在结处几乎没有电压产生。