您是否知道溫度是最常記錄的物理測量值？了解溫度對於(yu) 從(cong) 人體(ti) 到汽車發動機以及介於(yu) 兩(liang) 者之間的所有事物的正確運行至關(guan) 重要。
溫度是用一種或多種溫度傳(chuan) 感器測量的。目前市場上有幾種可供選擇：
• 熱電偶傳(chuan) 感器（本文）
• RTD 傳(chuan) 感器
• 熱敏電阻傳(chuan) 感器
• 紅外溫度傳(chuan) 感器
熱電偶 是一種用於(yu) 測量溫度的傳(chuan) 感器。熱電偶因其相對較低的成本、可互換性、寬測量範圍和可靠性而成為(wei) 一種非常流行的傳(chuan) 感器。
熱電偶廣泛應用於(yu) 各個(ge) 行業(ye) ，從(cong) 工廠自動化和過程控製到汽車、航空航天、軍(jun) 事、能源生產(chan) 、金屬製造、醫學科學等等。
它們(men) 具有標準連接器類型，使其可互換且易於(yu) 采購。在傳(chuan) 感器的測量端，它們(men) 可以像兩(liang) 種金屬絞合在一起一樣簡單，也可以封裝在堅固的探頭內(nei) 以在惡劣的工業(ye) 環境中使用。
連接到儀(yi) 表的長熱電偶探頭
盡管熱電偶非常流行，但要達到遠高於(yu) 1°C 的精度並不容易。但無論如何，由於(yu) 其諸多優(you) 點，它們(men) 仍然是當今工業(ye) 測量中最受歡迎的傳(chuan) 感器類型。
將不同種類的金屬配對為(wei) 我們(men) 提供了多種測量範圍。這些被稱為(wei) “熱電偶類型”，我們(men) 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(wei) 賤金屬熱電偶。 R、S 和 B 型熱電偶被稱為(wei) 貴金屬熱電偶，用於(yu) 高溫應用。
| ANSI | IEC | 使用合金 | 最寬範圍 | 磁的？ | 評論 |
| J | J | Iron-Constantan | -40° to 750° -40° to 1382° F | Yes | 高溫優於低溫 |
| K | K | Chromel-Alumel | −200° to 1350 ° −330° to 2460 °F | Yes | 範圍最廣，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 | 溫度範圍寬，比K型更穩定 |
| B | B | Platinum-30% Rhodium(Pt-30% Rh) | 0 to 1820° C32 to 3308° F | No | 高溫，請勿插入金屬管 |
| 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 | 適用於高溫應用，但不適用於氧化環境 |
下圖提供了詳細的熱電偶比較。單擊圖像可放大：
不同熱電偶特性
熱電偶基於(yu) 塞貝克效應，即當一對兩(liang) 端相互接觸的不同金屬受到溫度變化時，它們(men) 會(hui) 產(chan) 生一個(ge) 小的電勢。它們(men) 是被動地執行此操作，即不需要由信號調節器供電。
這怎麽(me) 可能？我們(men) 是否從(cong) 無到有地創造出自由能源？一點也不——這隻是物理學！
考慮電子既攜帶電又攜帶熱。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(cong) 您觸摸的區域傳(chuan) 播到遠離您的較冷的遠端，從(cong) 而沿著電線的長度產(chan) 生溫度梯度。熱量已轉化為(wei) 能量。
這種現象最初是由意大利科學家亞(ya) 曆山德羅·伏特（Alessandro Volta，我們(men) 稱之為(wei) “伏特”）於(yu) 1794 年發現的。但德國物理學家托馬斯·約翰·塞貝克 (Thomas Johann Seebeck) 在 1821 年重新發現了這種現象。他觀察到，當由兩(liang) 種不同金屬製成的電線在兩(liang) 端連接時，這些末端之間存在溫差，在連接處產(chan) 生小電壓電勢。
我們(men) 將這種電勢稱為(wei) 塞貝克電壓 ，並將熱能產(chan) 生的這種電勢稱為(wei) “塞貝克效應”。根據塞貝克 200 年前的觀察，物理學家能夠確定 塞貝克係數，即由給定材料的溫差引起的熱電電壓的大小。
熱電偶檢測一對不同金屬相互接觸時的溫度變化
經過數十年的研究、試驗和錯誤，我們(men) 今天了解了當我們(men) 將哪些金屬配對以創建熱電偶時，哪些金屬可以為(wei) 我們(men) 提供最佳結果。不同的組合提供不同的有效測量範圍。當然，每種金屬都具有環境特性，這進一步決(jue) 定了它們(men) 的使用地點和方式。
熱電偶背後的科學現在已經相當成熟，當今市場上有行業(ye) 標準的“類型”，例如 K 型，它配對鎳鉻合金和鋁鎳合金金屬，提供非常寬的測量範圍。
這聽起來很簡單 - 抓住一對熱電偶並將其一端連接到您的數據采集係統或電壓表並開始測量溫度，對嗎？嗯，還有更多的事情要做。
要將熱電偶傳(chuan) 感器的輸出轉換為(wei) 可用的溫度讀數，必須執行兩(liang) 個(ge) 額外步驟：
• 冷端補償(chang) 和
• 線性化。
讓我們(men) 逐一查看它們(men) 的工作原理和用途。
溫度數據記錄儀(yi) 和數據記錄儀(yi)
為(wei) 了進行絕對測量，熱電偶必須“參考”傳(chuan) 感器電纜另一端的已知溫度。在過去，這個(ge) 參考是幾乎冷凍的蒸餾水的冰浴，其已知溫度為(wei) 0°C (32° F)。但由於(yu) 這不方便攜帶，因此創建了另一種方法，使用與(yu) 環境隔離的微型熱敏電阻或 RTD 來測量環境溫度。這稱為(wei) “冷端補償(chang) ”或CJC。
熱電偶模塊內(nei) 的 CJC。白色電線連接到嵌入白色導熱膏內(nei) 的熱敏電阻
“熱端”是熱電偶組件的測量端，另一端是“冷端”，也稱為(wei) 參考熱電偶端，CJC 芯片位於(yu) 此處。因此，盡管冷端溫度可能會(hui) 發生變化，但它提供了一個(ge) 已知的參考，測量係統可以通過該參考以非常好的可重複精度導出傳(chuan) 感器測量端的溫度。
熱電偶傳(chuan) 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。線性化可以通過信號調節器本身或使用 DAQ 係統內(nei) 運行的軟件來完成。
最流行的熱電偶類型的線性化曲線
由於(yu) 這些傳(chuan) 感器的微伏和毫伏輸出非常小，當測量係統未隔離時，可能會(hui) 出現電噪聲和幹擾。Dewesoft DAQ 設備 通過差分信號調理解決(jue) 了這個(ge) 問題。幾乎所有 Dewesoft 信號調理模塊除了差分模塊外，還都是電隔離的。這些是抑製進入信號鏈的共模電壓的最佳方法。
減少噪聲的另一種方法是將數字化儀(yi) 盡可能靠近傳(chuan) 感器放置。避免長信號線是最大化信號保真度和降低成本的行之有效的策略。請在此處查看我們(men) 的 SIRIUS 和 KRYPTON 模塊化 DAQ 設備，以獲得同類最佳的解決(jue) 方案。
CJC 不足會(hui) 導致讀數錯誤。需要保護該組件免受環境溫度變化的影響，以提供可靠的參考。 Dewesoft 在其高端 CJC 中為(wei) 每個(ge) 通道使用單獨的 CJC 芯片，這些芯片由實心鋁塊銑削而成，並經過精確組裝以實現最佳參考。
熱電偶線比簡單的銅線更昂貴，這也是冷端應盡可能靠近信號源的原因（同時仍避免極端的環境溫度波動）。
Dewesoft 的KRYPTON ONE 單通道隔離熱電偶模塊等係統避免了這一問題。它允許將冷參考分布在傳(chuan) 感器所在位置附近，並相互連接，相距最遠 100 m（328 英尺）。信號在測量點直接轉換為(wei) 數字信號，並通過 EtherCAT 傳(chuan) 輸到主機測量係統，從(cong) 而消除噪音和昂貴的熱電偶電纜的長距離運行。
溫度是世界上測量最多的物理特性，而熱電偶是最流行的溫度測量傳(chuan) 感器。因此，熱電偶在各個(ge) 行業(ye) 和領域都有數以百萬(wan) 計的應用。以下隻是其中的一些：
• 發電廠（溫度是組件過熱的指標）
• 熱敏電阻不夠用的家用電器
• 工業(ye) 過程控製和工廠自動化
• 食品和飲料製造
• 金屬、紙漿和紙張加工廠
• 環境監測和研究
• 科學研究與(yu) 開發（R&D）
• 藥品和醫療用品製造和測試
• 汽車係統和測試應用、冷熱天氣測試、製動測試、ADAS 測試、燃燒分析等
• 飛機和火箭發動機係統和測試
• 衛星和航天器製造和測試
• 自供電（無源）
• 使用簡單
• 可互換、連接方便
• 相對便宜
• 有多種熱電偶探頭可供選擇
• 多種類型的寬溫度範圍
• 比其他傳(chuan) 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
• 低電壓輸出容易受到噪聲的影響
• 不如 RTD 穩定
• 不如 RTD 準確
| 傳感器 | 熱敏電阻 | 熱電偶 | 熱電阻 (PT100) |
| 溫度範圍 | 最窄 - 40°C 至 300°C | 最寬的 J 型為 -210 至 1200°C K 型為 95 至 1260°C 其他類型的溫度範圍可低至 -270°C 或高達 3100°C | -200°C 至 600°C 範圍內，最高可達 850°C |
| Response | 快速地 | 中到快 取決(jue) 於(yu) 傳(chuan) 感器尺寸、線徑和結構 | 慢 取決(jue) 於(yu) 傳(chuan) 感器尺寸和結構 |
| 長期穩定性 | Poor | Very Good | Best (±0.5°C to ±0.1°C / year) |
| 準確性 | Fair | Good | Bette r0.2%, 0.1% and 0.05% |
| 線性度 | 指數 | 非線性這通常在軟件中完成 | 相當好，但建議線性化 |
| 建造 | 脆弱的 | 足夠的護套和管可改善脆性，但會增加響應時間 | 易碎護套和管可改善易碎性，但會增加響應時間 |
| 尺寸 | Very small | Small | Larger |
| 接線 | 很簡單 | 簡單 | 複雜 |
| 所需的勵磁/功率 | 無 | 無 | 必需的 |
| 外部要求 | 無 | CJC（冷端補償）和信號線性化 | RTD 信號調節器 |
| 成本 | 最低 低準確度類型非常便宜，但也有一些更準確且更昂貴。提供 NTC 和 PTC（負溫度係數和正溫度係數）型號。 | 使用鉑金的LowR和S型價格更高 | 最高 |
為(wei) 了選擇適合您的測量的傳(chuan) 感器，重要的是要考慮許多不同的因素：
• 您需要測量的最高和最低溫度是多少？
• 預算是多少？
• 需要什麽(me) 精度範圍？
• 會(hui) 在什麽(me) 氣氛下使用？ （氧化性、惰性等）
• 所需的傳(chuan) 感器可用壽命是多少？
• 所需的響應是什麽(me) （對溫度變化的反應必須多快）？
• 熱電偶的使用是周期性的還是連續的？
• 熱電偶在其使用壽命期間會(hui) 受到彎曲或彎曲嗎？
• 它會(hui) 浸入水中嗎？浸入什麽(me) 深度？
根據這些問題的答案並參考上麵的熱電偶類型表，應該可以為(wei) 您的應用選擇最佳的整體(ti) 傳(chuan) 感器。
• TC-LINK-200-OEM 1通道嵌入式無線溫度傳(chuan) 感器
• TC-LINK-200 12通道無線熱電偶/電壓傳(chuan) 感器節點
• RTD-LINK-200 6通道無線 RTD/電阻傳(chuan) 感器
• BeanAir BeanDevice 2.4GHz ONE-T 無線工業(ye) 物聯網溫度傳(chuan) 感器
• BeanAir BeanDevice 2.4GHz ONE-TH 無線物聯網溫濕度傳(chuan) 感器
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