热电偶

温度量测的感测器常用者为K型的热电偶.热电偶上

的导线需要包覆著电气绝缘皮,常用的绝缘皮材质有PTFE(耐热最高温在

90°C~260°C间),玻璃纤维(耐热最高温在400°C~480°C间),和陶瓷纤维(耐热最

高温在800°C~1200°C间).

热电偶温测器

热电偶温度量测器价格低廉,体积小又可承受恶劣的量测环境,所以广为工业界

所使用,原理是依据Seebeck效应来量测温度.一条金属导线放置於固定温度的

环境内,电荷处於平衡状况,所以无电流产生.一旦在金属导线上有温度梯度(沿

著导线的温度差),则导线内电子运动不再平衡,因而产生电位差,此即为Seebeck

电压,这是导线位於温度梯度环境中的材料性质.

虽然任两条不同材质的导线皆可量得二接合点的温度差,但是在可靠度的考量

下,仅有少数的金属和合金适於用於热电偶温测计.国际标准的热电偶材质,是

以高输出电压,好的稳定性,耐恶劣环境,和最重要的高可靠度等数项因素为选

取基准.标准型的热电偶分为二类,一为含稀有金属铂,另一为含有镍,前者的

价格往往高於后者二百倍.图4中的B型,R型和S型即为稀有金属类的热电

偶,他们特别适合量测高温度.其中B型在室温时的Seebeck系数相当低,所以

将参考接合点的温度设为室温时,不会因参考温度的误差造成显著的量测接合点

的温度量测误差,因而在许多实际应用上就直接给於一个固定的偏差量(offset),

而不必知道精确的参考接合点的温度.

第二类的热电偶有T型,J型,K型,E型和N型,在金属的本身特性上,这些

都较容易氧化,不易在退火时去除机械效应,但是价廉和耐恶劣环境是他们的优

点.通常建议在一段有限的温度范围内使用此类热电偶,在大范围使用容易有机

械效应残留在导线内,而影响量测精度.T型适於低温的量测(低至-200°C),

也有较高的精确度,但是因为有铜成分所以不可用於超过200°C的温度量测.J

型是唯一适用於低压环境的热电偶,但是在一般大气压下则因会快速氧化而不适

用.E型具有最高的Seebeck系数,可以取代T型同时用於低温和稍高温的量测.

K型是用得最广的热点偶,但是它的合金特性,使得它难保均匀性

(homogeneity),而实质上为最差的热电偶.在高於500°C温度下,K型的输出电

压会随时间增大漂移量(drift),到达1000°C以上则更加严重.K型若在250°C至

500°C间作短时间的来回加热冷却会造成高达8°C的误差.既使在50°C到250°C

间也会因磁性转换有±1.5°C的误差.虽然市售产品都宣称用K型热电偶的精度

达±1°C,其实是不可能的.N型为改良K型的产品,高温漂移显著降低,现今

渐渐取代K型.表1列出各种热电偶的使用温度上限,而表2列出第二类热电

偶的误差值,这些资料取自参考文献[1],表2更是依据IEC584-2规范,IEC为

International Electrotechnical Commission的缩写.热电偶制造商的产品必须依照

此规范分为三级.很明显的,T型的精确度较高.

热电偶参考函数

虽然查表法是热电偶由电压转换成温度的常用方法,但是现在已有数学方程式可

以很准确的描述热电偶的Seebeck电压,这些数学式是以ITS-90的国际温度刻度

为基准.ITS-90是由CGPM国际组织在1990年所颁定的,属於SI (Interantional

Systems of Units)系统.

实际上,

使用热电偶量测温度是要用反函数, 不过反函数仅是近似函数,对应於参考函数它的误差小於0.06°C.K型热电偶的

参考函数和反函数的系数分别列於表3和表4；其余者请查阅参考文献[1].利用

反函数来求温度值比起查表法具有较精确和省记忆体空间的优点,但是必须以浮

点双精度计算,一般的低廉的微处理器无法胜任.折衷之道是将电压值纪录在记

忆体,在传送给个人电脑后,由个人电脑来执行反函数计算.这个方式有其他优

点,如果在电脑中建立各型热电偶的反函数,则回焊炉温测纪录器就可以使用任

何一型的热电偶感测器,当热电偶的输出电压数据传至电脑后,使用者选择使用

的热电偶型别,软体则依反函数公式自动换算出温度值.若不用反函数来计算,

而用查表法,则建立所有型别热电偶的换算表所需的储存记忆体空间将非常大.