热电偶的定义及原理 热电偶的分类及其校正方法概述

0    前言

温度检测的途径有很多，有接触式，有非接触式，比如红外温度传感器、电阻式温度检测器（即RTD，如Pt100铂热电阻）、热敏电阻（NTC）、热电偶、IC传感器等。

其中，非接触式温度测量的典型方式就是红外温度传感器。所有物体都会发出红外线，物体温度越高，发出的红外辐射能力越强。红外温度传感器测温的原理正基于此，它是一个光电转换的过程，类似原理在热成像领域应用非常广泛。

热电阻是利用金属或金属氧化物的电阻值根据温度变化而变化的特性，通过测量其电阻值来测量温度的传感器。热电阻的温度与阻值几乎呈现线性关系。热电阻的测量温度范围相对较窄，通常适用于温度500℃以内的温度测量。常规的NTC热敏电阻仅150℃左右，区别在于NTC热敏电阻的阻值和温度是明显的非线性关系。

热电偶，是做热学测试中必备的实验设备部件之一。它在高低温等可靠性测试场景中，对分析器件的壳温变化曲线等具有难以替代的作用。热电偶具有低成本、量程宽、响应快等特点。

四种常见的接触式温度传感器（热电阻、热敏电阻、热电偶、IC传感器）对比如下：

图 1 常见的四种温度传感器对比（摘自TI网站）

本文搜集并整理了一些信息，重点介绍下热电偶的测温原理、分类与特点。

1   定义及原理

定义

热电偶，是指由两种不同材质的金属导体构成的温度传感器。它在一端连接另一端分开。

原理

19世纪20年代，德国科学家托马斯·约翰·塞贝克 (Thomas Johann Seebeck) 发现：当连接两种不同金属，并对两端的接点施加不同温度时，金属之间会产生电压并有电流通过。这一现象被命名为“塞贝克效应”。该电路中生成电流的电力被称为热电动势（Thermoelectromotive force），其极性和大小仅由两种导体的材质和两端之间的温差决定。

测量时，连接端靠近热源，被成为“热结”，即测温接点；分开端靠近采集仪，被成为“冷结”，即基准接点，位于冷结的基准电压是在基准温度下通过两种金属测得的。注意，热结温度不一定大于冷结温度，热结表示金属连接点或被测点。

通常，数据采集仪可事先设置好热电偶的类型来采集温度的变化范围，显然，数据采集仪自然是同时支持电压采集的，这些数据最终将以表格、曲线的形式统计给测试人员。

图 2 热电偶的结构

图 3 热电偶的原理

了解了热电偶测温的基本原理后，那么热电偶的感温点是在连接点吗？

其实并不是，因为根据“塞贝克效应”，连接的2个金属物体在产生“温差”时才会产生电压和电流。在基恩士的网站上，以下图形象的表述了测温的感温部位。

图 4 热电偶的感温位置

 假设液体内温度为均匀100°C（无温度梯度）。此时，液体内的热电偶部分不会产生热电动势。热电动势只产生于存在温度梯度的部分。由于热电偶的感温部位会产生热电动势，因此该温度梯度部位即为热电偶的感温部位。

2   热电偶的分类

不同金属的组合会产生各种电压响应，因此可以采用不同类型的热电偶来进行不同温度范围和精度的测量。根据材料和测温范围的不同，将热电偶分为以下八类：

图 5 热电偶的分类

B/R/S 热电偶被称为贵金属热电偶，而N/K/E/J/T 热电偶被称为廉金属热电偶。

贵金属热电偶由铂（Pt）和铑（Rh）等贵金属制成。贵金属热电偶更昂贵，用于温度更高的应用（以+1000℃为界限）；廉金属热电偶相对常见，它们通常以铜（Cu）、铁（Fe）、镍（Ni）、铬（Cr）、硅（Si）或其合金为主。

图 6 不同热电偶的特点

根据物体的被测温度范围，应当选择合适精度的热电偶。以下图示例：

图 7 不同热电偶的测温范围

K型热电偶是最常见和最通用的选择。

3   热电偶的组成结构

热电偶通常有3种组成结构，分别是露端式、接地式，非接地式。

图 8 热电偶的组成结构

露端式

在温升测试中比较常见，由于没有保护套，它可以直接从被测物表面导热，多用于对细微温度变化的检测应用场景中，缺点是强度比较低，损耗大。

接地式

热电偶的引线连接点焊接在护套上，保护套为金属材料，导热性能较好，在比较恶劣的环境中可以起到防护作用。由于引线与套管导通，不适用于存在噪音等干扰较大的场景。

非接地式

热电偶的引线连接点与护套隔离，响应时间最差，但可靠性比较高。

4   热电偶的颜色代码

热电偶引线和连接器采用特定颜色的插头和插孔进行标准化，以表明热电偶的类型。绝缘和引线的不同颜色也表示热电偶等级和扩展等级。

热电偶的引线颜色代码由ANSI/ASTM E230 或 IEC60584标准制定，2个标准的定义颜色不同，下图以ANSI/ASTM E230为例：

图 9 不同热电偶的颜色代码

5   热电偶的校正

热电偶校正，指决定所用热电偶显示的值与实际温度之间关系的一项操作。在使用过程中，热结受氧化、腐蚀和在高温下材质再结晶，使热电特性发生变化，继而使测量误差越来越大，为了使温度的测量能保证一定的精度，热电偶应当定期进行校正，以测出热电势变化的情况，通常每半年1次。

热电偶校正方法有2种，一种是定点法，是指使用温度定点给出正确温度值，然后进行校正的方法；另一种是比较法，是指利用标准热电偶测量任意规定的恒温槽温度，同时获得它与被校正热电偶之间的误差后进行校正的一种方法，它常用于校正工业用和实验室用热电偶。比较法是更加常用的校正方法。

定点法

定点法的原理是采样已知温度恒定不变的被测物温度，如氮的沸点–195.798°C、冰点0℃、水的三相点0.01℃、水的沸点99.974℃、锡的凝固点231.928°C等，通过测量定点温度进行校正。

图10 定点法校正

比较法

与定点法不同的是，比较法是同时采用标准热电偶采样恒温槽的温度，将二者采样的温度进行对比后校正。

比较法的精度低于定点法，但比较法可使用任意温度进行校正。

图11 比较法校正

审核编辑：刘清