熱電偶測(cè)溫儀是電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的測(cè)溫儀器。本文對(duì)熱電偶的測(cè)溫原理進(jìn)行介紹。

熱電偶的測(cè)溫基于塞貝克效應(yīng)。即當(dāng)兩種不同的金屬組成回路時(shí)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的溫差會(huì)導(dǎo)致回路中產(chǎn)生電勢(shì)。這種由于溫差導(dǎo)致的電勢(shì)稱為熱電勢(shì)。

結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2之間溫差與熱電勢(shì)之間存在一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。因此，可以通過(guò)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)之間的電勢(shì)來(lái)?yè)Q算結(jié)點(diǎn)1和結(jié)點(diǎn)2之間的溫差。

  

需要注意的是，不同金屬相互接觸時(shí)，由于自由電子密度不同，電子將會(huì)從密度高的區(qū)域擴(kuò)散到密度低的區(qū)域，從而產(chǎn)生接觸電勢(shì)。顯然接觸電勢(shì)與自由電子的擴(kuò)散速率有關(guān)，而電子的擴(kuò)散速率與溫度直接相關(guān)。以上圖為例，A、B兩種金屬存在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，假設(shè)結(jié)點(diǎn)1溫度更高，且A中的自由電子密度更大，那么，回路中將會(huì)出現(xiàn)這種情況：在結(jié)點(diǎn)1處，A中的自由電子將轉(zhuǎn)移到B中的速率更快，自由電子在回路中的移動(dòng)方向是逆時(shí)針，電流方向?yàn)轫槙r(shí)針，圖中的電壓表指針將向右偏斜。

當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度相同時(shí)，電子轉(zhuǎn)移的速率相同，兩端處于電勢(shì)平衡狀態(tài)，回路中則不會(huì)出現(xiàn)電流。

另外，對(duì)于相同的導(dǎo)體，當(dāng)兩端溫度不同時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)。高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量高，電子將會(huì)從這個(gè)方向朝低溫端轉(zhuǎn)移，于是低溫端電勢(shì)更低。這種電勢(shì)稱為溫差電勢(shì)。

實(shí)際測(cè)得的熱電勢(shì)為：

熱電勢(shì) = 溫差電勢(shì) + 接觸電勢(shì)

 

在實(shí)際的測(cè)量中，溫差電勢(shì)比接觸電勢(shì)小很多，一般可以略去不考慮。這樣，對(duì)于一個(gè)由不同金屬構(gòu)成的回路，當(dāng)其中一端的溫度固定為T0時(shí)，測(cè)得的電勢(shì)將只與另一端的溫度有關(guān)。

對(duì)于實(shí)際的測(cè)試，我們知道，我們很難保證參考端的溫度恒定。比如，測(cè)試某板卡上內(nèi)存顆粒的溫度時(shí)，室內(nèi)溫度有可能是20℃，也有可能是25℃，甚至，有時(shí)候整個(gè)模塊都會(huì)放置到溫箱中去。這樣，冷端的溫度將處于千變?nèi)f化之中。對(duì)于這一問(wèn)題，常用的熱電偶測(cè)試儀器是采用如下方法進(jìn)行破除的。

首先，熱電偶測(cè)溫原理中有一條中間溫度定律。定律內(nèi)容是：

熱電偶AB在結(jié)點(diǎn)溫度為T、T0是的熱電勢(shì)Eab（T，T0）等于熱電偶AB在結(jié)點(diǎn)溫度T、Tc和Tc、T0時(shí)的熱電勢(shì)的代數(shù)和：

Eab（T，T0） = Eab）（T，Tc） + Eab（Tc，T0）

 這樣，當(dāng)參考端溫度不為零時(shí)，可以依照這一規(guī)律來(lái)進(jìn)行修正。

 電路內(nèi)部，存在如下圖所示意的一個(gè)補(bǔ)償電橋。其基本思想是，補(bǔ)償電橋與參考端處于同一溫度下，補(bǔ)償電橋中的電阻將會(huì)隨溫度的變化而變化，由此產(chǎn)生電勢(shì)的變化。經(jīng)過(guò)一定的電阻匹配性設(shè)計(jì)，這種電勢(shì)的變化，恰好可以補(bǔ)償參考端溫度變化引起的電勢(shì)改變。于是，參考端溫度的變化就被充分考慮在內(nèi)了。

 

       看起來(lái)，幾個(gè)熱敏電阻，幾個(gè)電流表，成本應(yīng)該極低。但精度的控制，是所有測(cè)量?jī)x器的核心競(jìng)爭(zhēng)力。從上述的熱電偶的測(cè)溫原理可以看出，補(bǔ)償電橋是保障熱電偶測(cè)溫準(zhǔn)確的關(guān)鍵組成部分。補(bǔ)償電橋設(shè)計(jì)的是否合理，將極大影響測(cè)溫儀在不同環(huán)境溫度下的測(cè)溫精度。遺憾的是，目前應(yīng)用最廣的安捷倫數(shù)據(jù)采集儀/數(shù)據(jù)采集卡是美國(guó)制造。國(guó)產(chǎn)的具有類似功能的測(cè)量?jī)x器，雖然價(jià)格有巨大優(yōu)勢(shì)，但由于眾所周知的缺陷，幾乎沒(méi)有能夠構(gòu)成威脅的品牌。

 

       文章原文請(qǐng)參考熱設(shè)計(jì)公眾號(hào)文章：《熱電效應(yīng)的重要應(yīng)用：熱電偶測(cè)溫儀》

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