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(kāi)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(jiàn)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(méi)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(jiàn)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(méi)有經(jīng)過(guò)適當(dāng)補(bǔ)償,，常見(jiàn)的工業(yè)K型熱電偶的非線性誤差會(huì)超過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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。