3-3.熱電偶

熱電偶

熱電偶(英語:Thermocouple)是一種被廣泛應用的溫度傳感器,也被用來將熱勢差轉換為電勢差。它的價格低廉、易於更換,且有標準接口,具有很大的溫度量程。主要的局限是精度,小於1攝氏度的系統誤差通常較難達到。

1821年,德國-愛沙尼亞物理學家托馬斯·塞貝克發現任何導體(金屬)被施加熱梯度時都會產生電壓。現在這種現像被稱為熱電效應或「Seebeck效應」。若要測量這個電壓,必須把“熱”端連到另一導體上。增加的導體也會經歷熱梯度,自身也會產生一個電壓,並與原來的電壓抵消。

熱電效應中電壓的大小取決於金屬的種類。在電路中使用不同的金屬會產生不同的電壓,這個電壓被稱為熱電勢,因此存在一個很小的電壓差值可以被測量,這個差值隨溫度的升高而增大。對於目前常用的金屬組合,這個差值通常在1到大約70微伏每攝氏度之間。一些常用的固定組合成為工業標準,如選擇熱電偶類型時通常考慮到成本、適用、便利、熔點、化學性質、穩定性和輸出。由於熱電偶產生的電壓很小,很多的應用是利用熱電偶堆。

熱電偶標準

當熱電偶的正負極材料都確定以後,熱電勢的大小只與熱電偶的兩端溫度有關。如果一端溫度恆定(通常稱為參比端),則熱電勢就只與熱端溫度有關。為了方便使用,常用的熱電偶的熱端溫度所對應熱電勢的大小已經被製成標準表,稱為熱電偶的分度表,參比端溫度均為0℃。

熱電偶之種類

T型:銅或銅鎳合金
有限量程(−250至+350℃),敏感度約為43 µV/℃。

E型:鎳鉻合金或銅鎳合金
高輸出(68 µV/℃),非磁性。

J型:鐵或銅鎳合金
有限量程(−40至+750℃),不可用於760℃以上,敏感度約為52 µV/℃。

K型:鎳鉻合金或鎳鋁合金
這是最常用的熱電偶。溫度量程自−200℃到+1200℃。磁性。敏感度41 µV/℃。

B型:鉑銠30合金/鉑銠6合金
長期使用的最高溫度可達1600℃,短期可達1800℃。性能穩定,測試準確度較高,適宜於氧化性介質和中性介質中使用,不能在還原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽的氣氛中使用。熱電勢率比S型的更小。

R型:鉑銠10合金/鉑
這是一種貴金屬熱電偶,鉑銠10合金(鉑佔87%,銠佔13%)為正極,鉑為負極。電極直徑通常為0.5mm,長期使用溫度可達1450℃,短期使用可達1600℃,有很好的複現性和穩定性。

S型:鉑銠10合金/鉑
這是一種貴金屬熱電偶,鉑銠10合金(鉑佔90%,銠佔10%)為正極,鉑為負極。電極直徑通常為0.5mm,長期使用溫度可達1300℃,短期使用可達1600℃,有很好的複現性和穩定性,在國際適用溫標中在630.74~1064.43℃範圍內用它做標準儀器。這種熱電偶的熱勢率較小,平均靈敏度為0.009mV/℃左右。價格貴,非線性大,不能在還原性氣氛及含有金屬或非金屬蒸汽的氣氛中使用,在真空中可以短暫使用。

N型:鎳鉻矽合金或鎳矽合金
高穩定性,抗高溫氧化。可用於高於1200℃。 900℃時,敏感度39 µV/℃,略低於K型。

熱電偶

熱電偶

熱電偶的規格中常提到常用使用溫度及過熱使用溫度,所謂的常用使用溫度,是指熱電偶在空氣中能使用之連續溫度,而過熱使用溫度使只在短暫時間內使用所能承受之最高溫度,若在此溫度連續使用時間過久將會使感測器損壞。另外,使用溫度的高低也會因選用電極材料之線徑而有所差異,一般來說,線徑越大其使用之溫度也越高。

補償導線

當測溫器與熱電偶的距離很長時,為了確保量測時的精度,最理想的解決方法是將熱電偶依原來之金屬線延長後來連接,這種方法在材料的花費上非常地昂貴高,所以出現了所謂的補償導線來替代熱電偶之導線。
通常補償導線可分為兩種,一為與熱電偶同一材質的延伸型(extension type),另一種選擇是與熱電偶電動勢特性相類似的合金補償型(compensation type )。前者的精確度較佳,價錢也較昂貴,反之,後者則是價格低廉但卻犧牲了精確度。

熱電堆(thermopile)

熱電堆是一個將熱能轉變成電能的電子裝置。通常是將熱電偶進行串聯,有時候是並聯。熱電堆並不能測量絕對溫度,不過可以輸出一個與溫度微差或溫度梯度成比例的電壓。對同樣的溫度差而言,熱電堆內的電動勢要比單個溫差電偶產生的大得多,用它製成的溫差電偶溫度計測溫靈敏度也高。

熱電堆是紅外線溫度計的關鍵成份,而紅外線溫度計是廣泛的使用於專業醫療上的耳溫測量。他們也廣泛的使用於熱通量感應器(例如摩歐熱堆或依珀利太陽熱力計)與瓦斯爐的安全控管上。由熱堆所產生的電壓約有數十或數百毫伏特,與增加中的信號級別一樣,這個裝置也許會用在提供空間裡的溫度平均上。

熱風加熱器的用途例

電影圖書館-熱風加熱器

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