在设备开发中，我们有时候需要检测某些加热部件，或者某个腔体中的温度，并根据检测的结果来控制加热器，使关心的位置处于想要的温度范围。常用的温度传感器包括热电偶（Thermocouple=TC），电阻温度检测器（Resistance temperature detector=RTD）以及热敏电阻（Thermistor）等。假设你把一根铁条插进火里，你必须很快放手，因为热量会沿着金属从火蔓延到你的手指。德国物理学家托马斯·塞贝克（Thomas Seebeck，1770-1831）是第一个正确理解这一想法的人，他发现如果金属的两端处于不同的温度，电流就会流过它。正如我们已经看到的，电流在材料中的流动性（电导率）与热量的流动性（导热性）之间存在密切联系。我们可以认为金属中的电子有点像气体中的分子，它们随着动能摆动。气体越热，平均而言，每个分子的动能就越大，它的摇晃速度也就越快。就像气体分子在加热时移动得更快一样，当金属更热时，电子往往会“扩散”得更多。如果加热金属棒的一端，电子会在那里移动得更快，并产生朝向较冷端的净流动。这使得较热的一端带轻微的正电荷，而较冷的一端带轻微的负电荷，从而产生电压差，这就是所谓的塞贝克效应。回到热电偶，如果我们将两根材料和长度相同的电线连接在一起，比如说铜线，我们在一端加热，以在两端产生温差，那么电子会扩散并在冷端积聚。但是，它们会在每根电线中以相同的数量积聚，因为它们是相同的材料，因此，我们的电压表无法检测到任何差异。但是，如果我们连接并在一端加热两条由不同材料制成的电线，比如铜和铁，那么这两种金属的导热性不同，因此它们的温度梯度也会不同。这意味着在冷端积聚的电子会有所不同。因此，我们可以将电压表连接到回路并读取电压差。 塞贝克效应示意图。一句话总结就是，对于金属导线，在被加热时，自由电子移动到更冷的一侧，形成电势差。不同材料的两根导线加热时，自由电子移动数目不同，便会在加热的另一端形成电势差，所以可以测量出微小的电流，电流再和温度建立一定的关系，就可以测量温度了。02 热电偶的工作原理 基于以上说明，我们知道，如果将两条不同材料的导线连接在一起形成一个闭合电路，并且如果两个连接点处于不同的温度，则电流会在闭合电路中流动。对于不同的金属组合，产生的电动势是不同的，并且与结点的温度差成正比，这是热电偶的基本工作原理。热电偶的典型电路图如图所示。在图中，两种不同的金属“A”和“B”在两个接头“P”和“Q”处连接。这里，“P”结是测量结或热结，而“Q”结是参考结或冷结。如图所示，微小电流检测仪PMMC（后续再专门写篇日记来介绍）连接在该布置中。当这些结点保持在不同的温度下时，由于结的温度差，该电路中将产生电动势，这个电动势在毫伏量级。当两个结的温度相同时，两个结产生的电动势将相同，没有电流流过电路，仪表不会有偏转。当两个接头处于不同的温度时，电流将流过流量计，仪表将显示偏转。由于产生的电动势与温差成正比，电流量也将与温差成比例，仪表可以直接根据温度进行校准。ΔT = 两个结之间的温差（以摄氏度为单位），a, b为常数。a比b大很多，所以b可以忽略不计。因此，上式可近似写为：E = a*（ΔT），从而得到温差与电动势的关系ΔT= E/a。为了使其发挥最佳效果，我们应该将冷端浸入冰浴中，这样我们就可以获得相对于 0°C的参考电压。参考或冷接点通常连接到测量仪器，并保持在0℃（在实验室中，可以将冷端浸入冰浴中）。对于精确的温度测量，参考结温度必须保持恒定，或在其发生变化时提供适当的补偿。因为热电偶温度是热端和冷端之差的函数，如果冷端温度保持固定，则热电偶输出为热端温度。但在工业环境中，冷端温度会随着环境温度的变化而变化，从而导致误差。冷端补偿就是对此误差进行补偿的过程，为了减少误差，大多数热电偶现在都提供自动参考补偿的功能。热电偶中正负极使用的金属材料可以有不同的组合，不同的组合产生不同的电动势，也就有了不同类型的热电偶，它定义了热电偶的工作范围、精度和线性度等。典型热电偶的内部结构：1）由不锈钢或合金（可能是镍和铬）制成的保护金属护套（深灰色）；2）由一种金属（红色）制成的第一根电线；3）由不同金属（蓝色）制成的第二根电线，连接到第一根电线以制成热电偶；4) 由粉碎和压实的矿物氧化物制成的绝缘材料（绿色）；5) 用水泥固定保温层；6) 由橡胶或塑料制成的电气绝缘层。T 型热电偶正极由铜，负极由铜镍合金（康铜）制成。这种类型的热电偶非常稳定而且价格低廉，可以在350℃的温度下使用，用于测量极低的温度。T 型热电偶可用于惰性，氧化和还原环境，由于铜加工的高度均匀性，它具有良好的精度。在高于 300°C 的温度下，铜的氧化变得非常强烈，从而缩短其使用寿命，并导致其原始响应曲线出现偏差，为了提高使用寿命，建议使用一层二氧化锰。此种热电偶的灵敏度高达68µV/°C，它是最灵敏的热电偶，最高可使用温度为850℃。它可以在氧化、惰性或真空条件下使用，但它不适用于交替的氧化和还原气氛。与其它常用的热电偶相比，它具有更高的热电功率，这对于那些想要检测微小温度变化的应用来说非常有利。其灵敏度为50µV/°C，最高可使用温度为1000℃。这种类型的热电偶适用于真空、还原和惰性环境。但是，不建议在高湿环境和低温环境中使用，因为 J 型热电偶会变脆。由于此热电偶由铁制成，因此不建议将此热电偶用于氧化气氛。为延长此类热电偶的使用寿命，建议使用粗规格的铁丝或保护管。但具体来说，正极由 90% 镍、10% 铬制成，而负极由 95% 镍、2% 铝、2% 锰和 1% 的硅制成。K型热电偶是最常见的通用热电偶，其灵敏度为 41µV/°C，使用温度可达1200℃。K型热电偶可在氧化或完全惰性气氛中使用。但不适用于还原气氛，不能在含硫环境中使用，这两种情况都会迅速腐蚀热电偶，并且导致早期失效的可能性很大。这种类型的热电偶，因其结构材料和高精度而在高温氧化环境中比J型热电偶更耐用。而且它以通用性而著称，成本低，具有多样化的探头。N型热电偶正极材料为Nicrosil。负极材料为Nisil。N型热电偶是一种非常新型的热电偶，旨在减少K型热电偶的缺点，是K型的进化型。这种热电偶的稳定性非常高，温度范围与K型热电偶非常相似。该热电偶的灵敏度为 39 µV/°C，略低于 K 型热电偶的灵敏度，成本略高于K型。该热电偶可用于 1260°C 的温度检测，其在高温下的出色稳定性和抗氧化性，使其更适合在高温下进行测量，而无需在其构成中包含铂金属（如B、R 和 S 型）。S型热电偶的正极线由90%铂和10%铑合金组成，负极由100%铂金组成，使用温度可达1400℃。它可用于惰性或氧化环境，它具有很高的温度稳定性指数，高于非铂热电偶。但是，该热电偶不得暴露在还原性气氛或金属烟雾中。S型热电偶不应直接插入初级金属保护管中，而应该首先插入高纯度氧化铝 (99.7%) 陶瓷结构中。R型热电偶的正极由铂+13%铑合金组成，负极完全铂金组成。它们具有与 S 型热电偶相同的特性，适用于测量高达 1600°C 的温度，但由于成本较高，它们在一般工业中的使用并不常见。B型热电偶正极为：铂金+30%铑。负极为：94%铂金+6%铑。它与 R和S 模型具有非常相似的特征，但此种热电偶更稳定，由于灵敏度降低，它们通常仅用于测量高于300°C 的温度，最高可测1800°C高温。B型热电偶适合在真空下短时间使用，但是，它不应该在金属和非金属的含蒸汽或还原气氛中使用。该热电偶也不应直接插入初级金属保护管，需要使用高铝陶瓷绝缘子和保护管。 热电偶类型。 热电偶类型，来自TI。不同热电偶的温度和电压输出关系曲线，图片来自www.omega.com。不同热电偶的温度和电压输出关系曲线：与 K 型和J 型热电偶相比，E 型热电偶在 37.8°C 或 1000°C的温度范围内提供更强的信号。与 K 型相比，E 型还提供了更高的稳定性。S 、R和B型热电偶主要用于高温应用，这种传感器的温度范围从 600 到1700 °C 不等。图片来自：NATIONAL INSTRUMENTS CORP. 。如上图所示，R、S热电偶是铂基热电偶，可以测量更高的温度范围，电压输出小于E、J、K热电偶。它们可以在高达 1700摄氏度的温度下运行，但很昂贵。另一方面，E、J、K 热电偶是镍 (Ni) 基元件，用于低温测量。 与铂一起使用时的热电偶材料特性。在热电偶中，负引线通常是红色导线，正极导线的颜色将根据其类型而定。符合 ANSI 标准和 IEC标准的热电偶颜色。K型热电偶的颜色为黄色，使用镍铬合金和镍铝合金。J型热电偶的颜色为黑色，并使用铁和康铜作为其组成金属。T 型热电偶的颜色为蓝色，并使用铜和康铜作为其组成金属。不同类型的热电偶线缆颜色，来自TI。当然从热电偶探头结构形式上来说，也分为下面几种类型，包括接地、隔离、密封和裸露等。未接地连接Isolated/Ungrounded：在未接地连接中，导体与保护护套完全隔离，起到电子隔离和屏蔽的作用，适用于在腐蚀性环境中进行测量。同时焊丝热电偶通过粉末与热电偶护套物理绝缘，也适用于用于高压应用。这种类型的热电偶主要优点是它减少了杂散磁场的影响。接地连接Grounded：在这种类型的连接中，金属和保护套焊接在一起。接地连接用于静态或流动腐蚀性气体和液体环境及高压中测量温度，由于热电偶焊接在金属护套上，因此存在电接触，这使得测量容易受到接地回路噪声的影响。与未接地接头类型相比，响应速度更快。外露式接头Exposed：在外露式接头中，热电偶从护套尖端突出并暴露在周围环境中。这种类型的响应时间最好，响应时间为0.1S到 2S，但仅限于非腐蚀性和非加压应用。这种类型的连接点用于需要快速响应的地方，裸露的结可用于测量气体的温度。如上所述，接地和暴露的热电偶都具有更快的温度响应，因为金属接触的良好传热。然而，通过直接金属接触，测量电路和热电偶接触的任何东西之间，都存在电接触，这可能会导致测量的接地回路问题。因此，热电偶可用于温度变化非常快的应用中，这对于测量设备中某一特定点的温度非常方便。此外热电偶还有良好的重现性，结构坚固，比较便宜等优点。热电偶的精度很低，因此，它们不能用于非常高精度的测量，例如范围 0-100 摄氏度，精度为 0.1 %。05 结束语 正如开篇所说，热电偶是温度传感器中的一种，另外2种温度传感器的原理及其与热电偶相比的优势和劣势，我们找机会再聊。
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