之一，它具有结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电压信号不需要激励等优点，能够用于流体、固体、固体壁面等各种不同测试测量场合。

热电偶测温原理

当导电物质处于温度时，其电子或空穴会随着温度梯度由高温区往低温区移动，由此产生的电荷堆积的现象称作热电效应，因热电效应产生的电动势称为热电动势。

如果采用两种电子密度同的导体连接成闭合回路，如果两端所处的温度不同，在该回路中就会产生热电动势。

在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端的温度相同，则整个热电偶回路中产生的总的热电势是不变的，这种现象称为中间导体效应，可以通过简单的推导得到。

由此，我们得到了实际使用的热电偶原型如下图所示，采用两种不同金属相连构成测温点(通常称为“热端”)，另一端分别接铜线引到信号调理电路，热电偶金属和铜走线之间的两个接合点温度相同，为参考点(通常称为“冷端”)。

在参考点和产生的电压取决于测量点和参考点两处的温度，由前面所讲的热电偶测量原理可以知道，在使用过程中需要知道参考点的温度才能获得测量点的准确温度读数。

热电偶的特点

1.优点

♦ 温度范围广，热电偶测温电路采用不同类型的热电偶，测量范围可达-200 到+2500 ，适用于大多数实际的温度范围。

♦ 坚固耐用，热电偶属于耐用器件，抗振动冲击性能好，适用于危险恶劣的环境。

♦ 响应快，因为热电偶体积小，热容量小，热电偶对温度的响应速度很快，尤其是在热点裸露的情况下。热电偶可在数百毫秒内对温度变化作出响应。

♦ 无自身发热，由于热电偶不需要激励电源，不会自发热，不会因自发热而造成测量误差。

2.缺点

♦ 信号调理电路复杂，将热电偶的直接输出电压转换成可用的温度读数，必须进行大量的信号调理。一量处理不当，就会引入误差，导致测量精度下降。

♦ 精度低，除了由于构成热电偶的金属本身特性导致的热电偶内部固有不确定性外，热电偶测量精度还依赖于冷端温度的测量精度，因此热电偶的测量精度一般在1 到2 。

♦ 抗噪性能差，由于热电偶直接输出电压信号量级较小，当测量环境周围存在杂散电场或磁场时，可能会引起问题，根据使用环境的要求，可能需要采取适当的防护措施。

♦ 易受腐蚀，因为热电偶由两种不同的金属构成，在某些工况下，长时间使用造成腐蚀，所以根据使用条件的不同，可能需要保护措施。

3.电路设计的难点

♦ 电压信号太弱，最常见的热电偶类型有J型，K型，T型，在室温下其灵敏度分别分

，这种微弱的信号在送入ADC之前需要进行较高增益的信号放大(通常需要100倍左右)。同时，由于信号如此微弱，为避免被噪声淹没，通常采用低通滤波和差分输入放大的放大器

来对信号进行处理。 ♦ 参考接合点温度补偿，要得到测量端的绝对温度读数，需要对冷端温度进行测量。冷端温度测量一般使用另外一种能够输出绝对温度的传感器

，如热电阻、热敏电阻、集成测温IC等，以冷端测温结果来对热电偶的测温结果进行补偿。

♦ 非线性校正，热电偶的输出结果在非线性非常严重，在不同温度下灵敏度有很大差异，如下图为三种典型热电偶的温度特性曲线，在实际使用中需要对输出结果进行非线性校正。常用的非线性校正的方法有：模拟电路补偿、分段线性化、查表、高阶拟合等。

根据成本、精度、通道数等不同要求，可选择多种多样不同的信号调理、冷端补偿、信号转换电路构成，下面介绍几种典型电路。

1. 传统的热电偶处理电路

采用通用运算放大器

对热电偶输出电压进行放大、低通滤波，采用集成温度IC、二极管等进行冷端温度补偿，然后送入ADC进行模数转换。如下图，为一早期热电偶处理电路。采用二极管进行冷端温度补偿;采用运算放大器构成信号放大、低通滤波电路，同时带有传感器断路(断偶)检测等辅助功能;采用NE555构成压频转换电路将模拟信号转化为频率输出。

2.集成单芯片热电偶解决方案

目前部分厂商推出了内部集成冷端温度补偿、PGA、ADC的热电偶单芯片解决方案，如TI、Maxim等都有此类单芯片解决方案，一一列举在下面。

热电偶温度传感器的工作原理

塞贝克效应 ：若金属棒的两端处在不同温度时，则自由电子便会由高温区扩散至低温区，因而产生热流及电流由高温区传流向低温区的现象。

热电偶 (Thermocouple)：使两接点分别接触到不同的温度，则因在不同金属内导电子的扩散速率不同，所以，在两金属内的扩散电流大小也会不同，因此会在两金属的连结回路中会形成一微小的净电流(约10μV左右)，这个实践也可自己找两条不同材料的金属线连接到一起加温观察万用表读数。

但许多实际状况下，冷端温度并不是0℃，而是某一温度tn，因此在使用分度表时，必须对所测量得的电动势进行下式的修正：

ε(T,0) = ε(T, Tn) + ε(Tn, 0)

热偶电动势 = 仪表测量值 + 室温修正值

热电偶信号检测：

无法用万用表直接测量塞贝克效应之电压，因万用表接线与热电偶接线又会产生新的热电偶接面电压。

电表接线与热电偶接线的热电偶接面电压由“差动放大器”共模增益抵销。

待测热电偶接面电压及参考热电偶接面电压由“差动放大器”差模增益放大。

热电偶之特性:

1、可量测之温度范围广泛，且传感器大多已规格化。

2、热电偶的最高使用温度与金属线径大小、材料有关

3、不必附加其它电源来驱动传感器

4、可由电路的设计获得极佳之精确度

热电偶种类及工作温度：

热电偶温度计的类别名称(type of thermocouple) 测定温度范围(℃) 热电动势(mV) 优点 缺点 材料 + - 高温用 K -200~1200 -5.89/-200℃48.8/1200℃

1、广泛应用于工业

2、抗酸性佳

具线性性质

1、不适用于CO冀肭硫酸瓦斯中

2、在高温还原性空气中会劣化 铬-镍 铝、锰、硅等镍合金 中温用 E -200~800 -8.82/-200℃

61.02/800℃ 1.具有最大之热电动势

1、不可耐于还原性空气中使用

2、 铬-镍 镍-铜 J -200~350 -7.89/-200℃

72.28/750℃ 1.可耐于还原性空气中使用 1.容易生锈 铁 镍-铜 低温用 T -200~350 -5.6/-200℃

17.82/350℃ 1.在弱酸性、还原性空气中很安定 1.300℃以上铜会氧化 铜 镍-铜 超高温用 B 500~1700 1.24/500℃

12.4/1700℃ 1.能耐于酸性空气中 1.不可耐于还原性空气中使用 30%铑-铂6%铑-铂 R 0~1600 0/0℃

18.84/1600℃ 13%铑-铂 铂 S 0~1600 -7.89/-200℃

72.28/750℃ 10%铑-铂 铂

热电偶工作温度与线径关系：

热电偶种类 线径(㎜) 常用温度(℃) 常用温度(℃)

K：0.65 650 850 1.00 750 950 1.60 850 1050 2.30 900 1100 3.20 1000 1200

E：0.65 450 500 1.00 500 550 1.60 550 650 2.30 600 750 3.20 700 800

J：0.65 400 500 1.00 450 550 1.60 500 650 2.30 550 750 3.20 600 750

T：0.32 200 250 0.65 200 250 1.00 250 300 1.6 300 350

B：0.50 1500 1700

RS：0.50 1400 1600

热电偶量测温度误差值探讨

一、 计测器的误差：

温度读数由温度控制器、记录器、电压表(mv)等显示之。而这些仪表都有或多或少的公差度。如分压式电压表误差量在0.001%加上0.01Μv以上。数字式温度控制器误差量至少为0.25%乘全程范围加上最后一位数字的误差度。

二、 热电偶线的误差 ：

热电偶线料因各国标准不一，误差度也就不同。如美国ANSI TYPE K普通级±2.2℃或0.75%，精密级±1.1℃或0.4%、日本JIS TYPE K普通级±2.5℃或0.75%，精密级±1.5℃或0.4%。

三、 基准接点的误差 ：

基准接点﹙冷接点﹚在校准作业上使用冰水槽时可能产生0.05℃到1℃的误差，热电偶在现场使用时，只要补偿导线和热电偶线的热电效应相同，且两接点均处于相同的温度时，不会影响此一回路电动势的大小。

四、 补偿导线的误差：

延长线料的校准不可靠度，约为热电偶线的两倍，因线料不同，区分为素线级﹙热偶线﹚，导线级两种，误差度大致与热电偶线相同，惟使用延长线时，须保持适当的低温，否则将造成很大的误差。

五、 热传导造成的误差： ﹙俗称热短路﹚

热电偶一端在热流板，另一端热流板外，若热电偶插入长度不够时，造成热流板内的热能经由保护管热传系数来决定，约为保护管和热电偶线传到热流板外，而热流板外温度传入热流板，形成热对流造成量测上的误差，一般视保护管热传系数来决定，约为保护管直径的10~20倍。

六、 绝缘不良的误差： ﹙俗称电短路﹚

热电偶在高温时，绝缘电阻下降，以致引起两线间短路的现象，其误差值可达量测温度的1%～10%以上，有时为正，有时为负，依其短路的位置而定。

七、 磁力效应造成的误差：

热电偶线或补偿导线，受磁场干扰时，使金属材料中的电子移动遭受影响，而改变材质的电动势。

诱导性磁场：变压器、马达所产生的磁场，导线用铜网铁网遮蔽。

电流性磁场：电气电缆中的电流产生的磁场，导线用铜铂遮蔽。

八、 磨擦造成的误差：

热电偶和高速流体﹙气体、液体﹚磨擦所产生的热能造成误差。

九、 热辐射造成的误差：

热电偶太靠近热源，而因辐射热造成量测温度比实际温度偏高。

十、 自生热造成的误差：

功率：电流平方x电阻，因闭回路中产生电流而使传感器﹙热偶线、白金测温体﹚自身产生热能产生误差。此一效应在电阻式温度计更为明显，在选购时最好使用低电流者，以提高量测的精密度。