您是否知道溫度是最常記錄的物理測(cè)量值？了解溫度對(duì)于從人體到汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)以及介于兩者之間的所有事物的正確運(yùn)行至關(guān)重要。
溫度是用一種或多種溫度傳感器測(cè)量的。目前市場(chǎng)上有幾種可供選擇：
? 熱電偶傳感器（本文）
? RTD 傳感器
? 熱敏電阻傳感器
? 紅外溫度傳感器
熱電偶 是一種用于測(cè)量溫度的傳感器。熱電偶因其相對(duì)較低的成本、可互換性、寬測(cè)量范圍和可靠性而成為一種非常流行的傳感器。
熱電偶廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，從工廠自動(dòng)化和過(guò)程控制到汽車(chē)、航空航天、軍事、能源生產(chǎn)、金屬制造、醫(yī)學(xué)科學(xué)等等。
它們具有標(biāo)準(zhǔn)連接器類(lèi)型，使其可互換且易于采購(gòu)。在傳感器的測(cè)量端，它們可以像兩種金屬絞合在一起一樣簡(jiǎn)單，也可以封裝在堅(jiān)固的探頭內(nèi)以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用。
連接到儀表的長(zhǎng)熱電偶探頭
盡管熱電偶非常流行，但要達(dá)到遠(yuǎn)高于 1°C 的精度并不容易。但無(wú)論如何，由于其諸多優(yōu)點(diǎn)，它們?nèi)匀皇钱?dāng)今工業(yè)測(cè)量中最受歡迎的傳感器類(lèi)型。
將不同種類(lèi)的金屬配對(duì)為我們提供了多種測(cè)量范圍。這些被稱為“熱電偶類(lèi)型”，我們知道其中的幾種：
? K 型熱電偶
? J 型熱電偶
? T 型熱電偶
? E 型熱電偶
? R 型熱電偶
? S 型熱電偶
? B 型熱電偶
? N 型熱電偶
? C 型熱電偶
J、K、T 和 E 型熱電偶也稱為 賤金屬熱電偶。 R、S 和 B 型熱電偶被稱為 貴金屬熱電偶，用于高溫應(yīng)用。
| ANSI | IEC | 使用合金 | 最寬范圍 | 磁的？ | 評(píng)論 |
| J | J | Iron-Constantan | -40° to 750° -40° to 1382° F | Yes | 高溫優(yōu)于低溫 |
| K | K | Chromel-Alumel | ?200° to 1350 ° ?330° to 2460 °F | Yes | 范圍最廣，最受歡迎。鎳有磁性。 |
| T | T | Copper(Cu) | -270 to 400° -454 to 752° F | No | 適合較低溫度和潮濕環(huán)境。 |
| E | E | Chromel-Constantan | ?50° to 740 °C | No | 適合低溫使用。 |
| N | N | Nicrosil(Ni-Cr-Si) | -270 to 1300° -450 to 2372° F | No | 溫度范圍寬，比K型更穩(wěn)定 |
| B | B | Platinum-30% Rhodium(Pt-30% Rh) | 0 to 1820° C32 to 3308° F | No | 高溫，請(qǐng)勿插入金屬管 |
| R | R | Platinum-13% Rhodium(Pt-13% Rh) | -50 to 1768° -58 to 3214° F | No | 高溫，請(qǐng)勿插入金屬管 |
| S | S | Platinum-10% Rhodium(Pt-10% Rh) | -50 to 1768° -58 to 3214° F | No | 高溫，請(qǐng)勿插入金屬管 |
C W3 W5 | C W3 W5 | Tungsten-3% Rhenium(W-3% Re) | 0 to 2320° 32 to 4208° F | No | 適用于高溫應(yīng)用，但不適用于氧化環(huán)境 |
下圖提供了詳細(xì)的熱電偶比較。單擊圖像可放大：
不同熱電偶特性
熱電偶基于 塞貝克效應(yīng)，即當(dāng)一對(duì)兩端相互接觸的不同金屬受到溫度變化時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)小的電勢(shì)。它們是被動(dòng)地執(zhí)行此操作，即不需要由信號(hào)調(diào)節(jié)器供電。
這怎么可能？我們是否從無(wú)到有地創(chuàng)造出自由能源？一點(diǎn)也不——這只是物理學(xué)！
考慮電子既攜帶電又?jǐn)y帶熱。取一根裸銅線，用手握住它的一端。在皮膚熱量的作用下，電子將從您觸摸的區(qū)域傳播到遠(yuǎn)離您的較冷的遠(yuǎn)端，從而沿著電線的長(zhǎng)度產(chǎn)生溫度梯度。熱量已轉(zhuǎn)化為能量。
這種現(xiàn)象最初是由意大利科學(xué)家亞歷山德羅·伏特（Alessandro Volta，我們稱之為“伏特”）于 1794 年發(fā)現(xiàn)的。但德國(guó)物理學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克 (Thomas Johann Seebeck) 在 1821 年重新發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。他觀察到，當(dāng)由兩種不同金屬制成的電線在兩端連接時(shí)，這些末端之間存在溫差，在連接處產(chǎn)生小電壓電勢(shì)。
我們將這種電勢(shì)稱為 塞貝克電壓 ，并將熱能產(chǎn)生的這種電勢(shì)稱為“塞貝克效應(yīng)”。根據(jù)塞貝克 200 年前的觀察，物理學(xué)家能夠確定 塞貝克系數(shù)，即由給定材料的溫差引起的熱電電壓的大小。
熱電偶檢測(cè)一對(duì)不同金屬相互接觸時(shí)的溫度變化
經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究、試驗(yàn)和錯(cuò)誤，我們今天了解了當(dāng)我們將哪些金屬配對(duì)以創(chuàng)建熱電偶時(shí)，哪些金屬可以為我們提供最佳結(jié)果。不同的組合提供不同的有效測(cè)量范圍。當(dāng)然，每種金屬都具有環(huán)境特性，這進(jìn)一步?jīng)Q定了它們的使用地點(diǎn)和方式。
熱電偶背后的科學(xué)現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟，當(dāng)今市場(chǎng)上有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的“類(lèi)型”，例如 K 型，它配對(duì)鎳鉻合金和鋁鎳合金金屬，提供非常寬的測(cè)量范圍。
這聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單 - 抓住一對(duì)熱電偶并將其一端連接到您的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或電壓表并開(kāi)始測(cè)量溫度，對(duì)嗎？嗯，還有更多的事情要做。
要將熱電偶傳感器的輸出轉(zhuǎn)換為可用的溫度讀數(shù)，必須執(zhí)行兩個(gè)額外步驟：
? 冷端補(bǔ)償 和
? 線性化。
讓我們逐一查看它們的工作原理和用途。
溫度數(shù)據(jù)記錄儀和數(shù)據(jù)記錄儀
為了進(jìn)行絕對(duì)測(cè)量，熱電偶必須“參考”傳感器電纜另一端的已知溫度。在過(guò)去，這個(gè)參考是幾乎冷凍的蒸餾水的冰浴，其已知溫度為 0°C (32° F)。但由于這不方便攜帶，因此創(chuàng)建了另一種方法，使用與環(huán)境隔離的微型熱敏電阻或 RTD 來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度。這稱為“冷端補(bǔ)償”或CJC。
熱電偶模塊內(nèi)的 CJC。白色電線連接到嵌入白色導(dǎo)熱膏內(nèi)的熱敏電阻
“熱端”是熱電偶組件的測(cè)量端，另一端是“冷端”，也稱為參考熱電偶端，CJC 芯片位于此處。因此，盡管冷端溫度可能會(huì)發(fā)生變化，但它提供了一個(gè)已知的參考，測(cè)量系統(tǒng)可以通過(guò)該參考以非常好的可重復(fù)精度導(dǎo)出傳感器測(cè)量端的溫度。
熱電偶傳感器的小電壓輸出不是線性的，即它不隨溫度的變化而線性變化。線性化可以通過(guò)信號(hào)調(diào)節(jié)器本身或使用 DAQ 系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行的軟件來(lái)完成。
最流行的熱電偶類(lèi)型的線性化曲線
由于這些傳感器的微伏和毫伏輸出非常小，當(dāng)測(cè)量系統(tǒng)未隔離時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)電噪聲和干擾。Dewesoft DAQ 設(shè)備 通過(guò)差分信號(hào)調(diào)理解決了這個(gè)問(wèn)題。幾乎所有 Dewesoft 信號(hào)調(diào)理模塊除了差分模塊外，還都是電隔離的。這些是抑制進(jìn)入信號(hào)鏈的共模電壓的最佳方法。
減少噪聲的另一種方法是將數(shù)字化儀盡可能靠近傳感器放置。避免長(zhǎng)信號(hào)線是最大化信號(hào)保真度和降低成本的行之有效的策略。請(qǐng)?jiān)诖颂幉榭次覀兊?SIRIUS 和 KRYPTON 模塊化 DAQ 設(shè)備，以獲得同類(lèi)最佳的解決方案。
CJC 不足會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)錯(cuò)誤。需要保護(hù)該組件免受環(huán)境溫度變化的影響，以提供可靠的參考。 Dewesoft 在其高端 CJC 中為每個(gè)通道使用單獨(dú)的 CJC 芯片，這些芯片由實(shí)心鋁塊銑削而成，并經(jīng)過(guò)精確組裝以實(shí)現(xiàn)最佳參考。
熱電偶線比簡(jiǎn)單的銅線更昂貴，這也是冷端應(yīng)盡可能靠近信號(hào)源的原因（同時(shí)仍避免極端的環(huán)境溫度波動(dòng)）。
Dewesoft 的KRYPTON ONE 單通道隔離熱電偶模塊等系統(tǒng)避免了這一問(wèn)題。它允許將冷參考分布在傳感器所在位置附近，并相互連接，相距最遠(yuǎn) 100 m（328 英尺）。信號(hào)在測(cè)量點(diǎn)直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò) EtherCAT 傳輸?shù)街鳈C(jī)測(cè)量系統(tǒng)，從而消除噪音和昂貴的熱電偶電纜的長(zhǎng)距離運(yùn)行。
溫度是世界上測(cè)量最多的物理特性，而熱電偶是最流行的溫度測(cè)量傳感器。因此，熱電偶在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的應(yīng)用。以下只是其中的一些：
? 發(fā)電廠（溫度是組件過(guò)熱的指標(biāo)）
? 熱敏電阻不夠用的家用電器
? 工業(yè)過(guò)程控制和工廠自動(dòng)化
? 食品和飲料制造
? 金屬、紙漿和紙張加工廠
? 環(huán)境監(jiān)測(cè)和研究
? 科學(xué)研究與開(kāi)發(fā)（R&D）
? 藥品和醫(yī)療用品制造和測(cè)試
? 汽車(chē)系統(tǒng)和測(cè)試應(yīng)用、冷熱天氣測(cè)試、制動(dòng)測(cè)試、ADAS 測(cè)試、燃燒分析等
? 飛機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)和測(cè)試
? 衛(wèi)星和航天器制造和測(cè)試
? 自供電（無(wú)源）
? 使用簡(jiǎn)單
? 可互換、連接方便
? 相對(duì)便宜
? 有多種熱電偶探頭可供選擇
? 多種類(lèi)型的寬溫度范圍
? 比其他傳感器具有更高的溫度能力
? 不受阻力減少或增加的影響
? 輸出需要線性化
? 需要 CJC“冷參考”結(jié)
? 低電壓輸出容易受到噪聲的影響
? 不如 RTD 穩(wěn)定
? 不如 RTD 準(zhǔn)確
| 傳感器 | 熱敏電阻 | 熱電偶 | 熱電阻 (PT100) |
| 溫度范圍 | 最窄 - 40°C 至 300°C | 最寬的 J 型為 -210 至 1200°C K 型為 95 至 1260°C 其他類(lèi)型的溫度范圍可低至 -270°C 或高達(dá) 3100°C | -200°C 至 600°C 范圍內(nèi)，最高可達(dá) 850°C |
| Response | 快速地 | 中到快 取決于傳感器尺寸、線徑和結(jié)構(gòu) | 慢 取決于傳感器尺寸和結(jié)構(gòu) |
| 長(zhǎng)期穩(wěn)定性 | Poor | Very Good | Best (±0.5°C to ±0.1°C / year) |
| 準(zhǔn)確性 | Fair | Good | Bette r0.2%, 0.1% and 0.05% |
| 線性度 | 指數(shù) | 非線性這通常在軟件中完成 | 相當(dāng)好，但建議線性化 |
| 建造 | 脆弱的 | 足夠的護(hù)套和管可改善脆性，但會(huì)增加響應(yīng)時(shí)間 | 易碎護(hù)套和管可改善易碎性，但會(huì)增加響應(yīng)時(shí)間 |
| 尺寸 | Very small | Small | Larger |
| 接線 | 很簡(jiǎn)單 | 簡(jiǎn)單 | 復(fù)雜 |
| 所需的勵(lì)磁/功率 | 無(wú) | 無(wú) | 必需的 |
| 外部要求 | 無(wú) | CJC（冷端補(bǔ)償）和信號(hào)線性化 | RTD 信號(hào)調(diào)節(jié)器 |
| 成本 | 最低 低準(zhǔn)確度類(lèi)型非常便宜，但也有一些更準(zhǔn)確且更昂貴。提供 NTC 和 PTC（負(fù)溫度系數(shù)和正溫度系數(shù)）型號(hào)。 | 使用鉑金的LowR和S型價(jià)格更高 | 最高 |
為了選擇適合您的測(cè)量的傳感器，重要的是要考慮許多不同的因素：
? 您需要測(cè)量的最高和最低溫度是多少？
? 預(yù)算是多少？
? 需要什么精度范圍？
? 會(huì)在什么氣氛下使用？ （氧化性、惰性等）
? 所需的傳感器可用壽命是多少？
? 所需的響應(yīng)是什么（對(duì)溫度變化的反應(yīng)必須多快）？
? 熱電偶的使用是周期性的還是連續(xù)的？
? 熱電偶在其使用壽命期間會(huì)受到彎曲或彎曲嗎？
? 它會(huì)浸入水中嗎？浸入什么深度？
根據(jù)這些問(wèn)題的答案并參考上面的熱電偶類(lèi)型表，應(yīng)該可以為您的應(yīng)用選擇最佳的整體傳感器。
? TC-LINK-200-OEM 1通道嵌入式無(wú)線溫度傳感器
? TC-LINK-200 12通道無(wú)線熱電偶/電壓傳感器節(jié)點(diǎn)
? RTD-LINK-200 6通道無(wú)線 RTD/電阻傳感器
? BeanAir BeanDevice 2.4GHz ONE-T 無(wú)線工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)溫度傳感器
? BeanAir BeanDevice 2.4GHz ONE-TH 無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)溫濕度傳感器
