熱電偶測溫儀是電子產品熱設計領域應用最為廣泛的測溫儀器。本文對熱電偶的測溫原理進行介紹。

熱電偶的測溫基于塞貝克效應。即當兩種不同的金屬組成回路時，兩個節點間的溫差會導致回路中產生電勢。這種由于溫差導致的電勢稱為熱電勢。

結點1和結點2之間溫差與熱電勢之間存在一一對應的函數關系。因此，可以通過測量兩點之間的電勢來換算結點1和結點2之間的溫差。

  

需要注意的是，不同金屬相互接觸時，由于自由電子密度不同，電子將會從密度高的區域擴散到密度低的區域，從而產生接觸電勢。顯然接觸電勢與自由電子的擴散速率有關，而電子的擴散速率與溫度直接相關。以上圖為例，A、B兩種金屬存在兩個結點，假設結點1溫度更高，且A中的自由電子密度更大，那么，回路中將會出現這種情況：在結點1處，A中的自由電子將轉移到B中的速率更快，自由電子在回路中的移動方向是逆時針，電流方向為順時針，圖中的電壓表指針將向右偏斜。

當兩個結點溫度相同時，電子轉移的速率相同，兩端處于電勢平衡狀態，回路中則不會出現電流。

另外，對于相同的導體，當兩端溫度不同時，也會產生電勢。高溫端的電子能量要比低溫端的電子能量高，電子將會從這個方向朝低溫端轉移，于是低溫端電勢更低。這種電勢稱為溫差電勢。

實際測得的熱電勢為：

熱電勢 = 溫差電勢 + 接觸電勢

 

在實際的測量中，溫差電勢比接觸電勢小很多，一般可以略去不考慮。這樣，對于一個由不同金屬構成的回路，當其中一端的溫度固定為T0時，測得的電勢將只與另一端的溫度有關。

對于實際的測試，我們知道，我們很難保證參考端的溫度恒定。比如，測試某板卡上內存顆粒的溫度時，室內溫度有可能是20℃，也有可能是25℃，甚至，有時候整個模塊都會放置到溫箱中去。這樣，冷端的溫度將處于千變萬化之中。對于這一問題，常用的熱電偶測試儀器是采用如下方法進行破除的。

首先，熱電偶測溫原理中有一條中間溫度定律。定律內容是：

熱電偶AB在結點溫度為T、T0是的熱電勢Eab（T，T0）等于熱電偶AB在結點溫度T、Tc和Tc、T0時的熱電勢的代數和：

Eab（T，T0） = Eab）（T，Tc） + Eab（Tc，T0）

 這樣，當參考端溫度不為零時，可以依照這一規律來進行修正。

 電路內部，存在如下圖所示意的一個補償電橋。其基本思想是，補償電橋與參考端處于同一溫度下，補償電橋中的電阻將會隨溫度的變化而變化，由此產生電勢的變化。經過一定的電阻匹配性設計，這種電勢的變化，恰好可以補償參考端溫度變化引起的電勢改變。于是，參考端溫度的變化就被充分考慮在內了。

 

       看起來，幾個熱敏電阻，幾個電流表，成本應該極低。但精度的控制，是所有測量儀器的核心競爭力。從上述的熱電偶的測溫原理可以看出，補償電橋是保障熱電偶測溫準確的關鍵組成部分。補償電橋設計的是否合理，將極大影響測溫儀在不同環境溫度下的測溫精度。遺憾的是，目前應用最廣的安捷倫數據采集儀/數據采集卡是美國制造。國產的具有類似功能的測量儀器，雖然價格有巨大優勢，但由于眾所周知的缺陷，幾乎沒有能夠構成威脅的品牌。

 

       文章原文請參考熱設計公眾號文章：《熱電效應的重要應用：熱電偶測溫儀》

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