熱電偶可以算是熱設(shè)計工程師最常用的溫度傳感器，基本原理是塞貝克效應（Seebeck Effect），也即兩種不同材質(zhì)的均質(zhì)導體組成閉合回路，且兩端存在溫度梯度時，回路中會有電流通過，形成電動勢（熱電動勢）。不同金屬對組成的熱電偶，對應的熱電勢也不相同，據(jù)此制成相應的分度表。我們常用的K型、T型、E型、N型、S型等熱電偶就是指具有相應分度表的熱電偶。
作為溫度測試好幫手，熱電偶具有一系列優(yōu)點：
結(jié)構(gòu)簡單，制備方便；
測點體積小，熱慣性小，安裝便捷；
熱電偶類型繁多，可根據(jù)測溫范圍、應用環(huán)境、測溫精度等選擇；
可重復使用，價格低廉（貴金屬熱電偶和特殊熱電偶除外）。
熱電偶的測溫端稱為工作端或“熱端”（T1），自由端也稱為“冷端”，與二次儀表連接（如下圖所示），冷端應處于某個恒定溫度T0下。
但就是這么一種簡單的傳感器，在實際使用過程中仍會因為各種原因，造成很多錯誤。本文將工作中積累的一些測試經(jīng)驗，以及自己和朋友遇到的一些常見問題，一起分享給大家。
一、熱電偶的有效測溫點在哪里?
下面的熱電偶的測溫端是絞合而成的，那么請問熱電偶測試的噴槍溫度是偏高，還是偏低，為什么?熱電偶的測點位置是否得當?
問的再直白一點：下面這張圖中的熱電偶，實際測溫點是哪個位置?
好啦!揭示答案：有效測點位置，如下圖所示：
多么可怕的領(lǐng)悟!在測試時尤其要注意，熱電偶的實際測點在不在被測對象的位置上!對于上述高溫噴槍的影響可能不大，但是如果應用于實際電子產(chǎn)品的測試，會有多大誤差?會遺留有多大的風險!請注意熱電偶位于ATMEGA芯片的表面。
為了避免出現(xiàn)上述情況，盡量采用下圖所示的典型熱電偶焊點形式。由于沒有絞線的影響，下圖中的熱電偶焊點位置就是實際測試位置。還有一點需要注意，熱電偶的保溫層盡量靠近焊點，以減少熱源的熱量損失。
二、熱電偶固定方式的影響
熱電偶的常用固定方式有：膠帶貼覆、焊接固定、膠水固定、螺栓連接等等。前三種安裝方式在電子設(shè)備的溫度測試中最為常用，螺栓連接一般在工業(yè)領(lǐng)域應用較多，且傳感器多為鎧裝熱電偶。主要介紹前三種：
(1)膠帶貼覆
如Kapton膠帶，鋁箔膠帶，銅箔膠帶，導熱膠帶(可用于連接器件和散熱器的導熱膠帶)。最大的問題是需要保證熱電偶的測點與被測表面之間完美接觸。如果熱電偶與被測表面之間存在一點空氣間隙，則熱電偶讀取的溫度將遠低于被測表面的實際溫度。另外，使用膠帶貼覆來固定熱電偶，需要一定的貼覆面積，因此這種方式并不適于小型元器件。一則是因為小型元器件不能提供充足貼覆面積，另一方面，膠帶的貼覆對小型元器件的散熱狀態(tài)影響很大，可能引入了一個絕緣層或者熱沉。
(2)焊接固定
將熱電偶焊接到被測對象的表面，可以獲得非常精確的測試數(shù)據(jù)。主要是由于焊料的熱導率較高，且與被測表面之間不存在空氣隙。焊接的局限性在于，只適用于某些金屬表面，應用范圍較窄。
(3)膠水固定
采用膠水固定熱電偶可以算是最為方便快捷的方法。再配合解膠劑使用，基本可以做到“收放自如”，想把熱電偶粘哪兒就粘哪兒。想解除熱電偶，只需涂刷一些解膠劑即可。使用膠水固定熱電偶需要注意在熱電偶測點與被測表面之間涂抹的膠黏劑盡量少，以減少熱阻。常用的熱電偶固定膠黏劑一般具有較高的導熱系數(shù)，多維導熱填料強化傳熱的環(huán)氧樹脂。這種方式的唯一缺點就是，熱導率較高的膠水大都較為昂貴。
三、熱電偶自身因素及安裝方式的影響
實現(xiàn)精確測溫的一個前提是，熱電偶盡量少地影響被測對象的散熱狀態(tài)，也即要求從被測對象到熱電偶這條路徑的傳熱量盡可能少。
(1)材質(zhì)和粗細
不同熱電偶的材質(zhì)具有不同的熱導率。如T型熱電偶材質(zhì)為銅-康銅(銅鎳合金)，其中銅材質(zhì)具有良好的導熱性能，相同線規(guī)和安裝方式下，從該熱電偶損失的熱量要高于材質(zhì)導熱性能不突出的K型熱電偶。
不同粗細的熱電偶的傳熱能力也不同，越粗的熱電偶導熱能力也越強，而且對應的響應時間也越長。一般，在使用壽命允許的前提下，盡量選用較細線徑的熱電偶，測溫更精確且相應速度也更快。
(2)安裝方式
這里的安裝方式是指熱電偶與被測對象是水平布置還是豎直布置的。熱電偶安裝于被測對象表面，不可避免會影響被測件的溫度場，其作用類似于針肋。
在其余條件相同的前提下，針肋的散熱影響越小，則測溫度準確度也越高。He等人[1]通過數(shù)值仿真的方式，模擬了水平和豎直布置的熱電偶的測點溫度。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水平布置的熱電偶由于其針肋散熱作用弱于豎直布置的熱電偶，具有更好的測試精度。
四、使用環(huán)境對測試造成的影響
(1)污染物或氣氛：如貴金屬熱電偶對污染物極為敏感，因此需要有良好的套管(sheath)或絕緣層保護;某些熱電偶在氧化氣氛或還原氣氛下，或發(fā)生內(nèi)部晶型變化，或部分組份發(fā)生變化，對測量精度和壽命造成不利影響。
(2)磁場：一定強度的磁場會對含有鐵、鈷、鎳等鐵磁性元素的熱電偶產(chǎn)生影響。
(3)高溫：某些高溫區(qū)間會對某些型號的熱電偶的材質(zhì)的晶型產(chǎn)生特殊影響，如重結(jié)晶現(xiàn)象，導致測試數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。需要嚴格遵守熱電偶的使用溫度范圍。
五、提高測試精度的幾個方法
假定熱電偶已經(jīng)選定完畢，為了提高測試精度，除了遵循正確的測試規(guī)程外，還可以通過兩種方式進一步提高測試精度：
(1)多次重復測量，取平均值;
(2)對多對統(tǒng)一規(guī)格的熱電偶進行合理的串聯(lián)或并聯(lián)，然后再對測試對象進行測量。
為啥要將熱電偶進行串聯(lián)或者并聯(lián)呢?開動腦筋想一想，如果懶得想，那推薦您一本書，中國科學技術(shù)大學出版社出版的《量熱技術(shù)和熱物性測定》，由胡芃和陳則韶編著。該書簡潔易懂，涵蓋了主要的量熱技術(shù)和熱物性測試方法。
好啦，放一張瑞士熱分析儀器公司梅特勒-托利多的差示掃描量熱儀(DSC)的核心器件--熱流傳感器。該傳感器本質(zhì)上是由樣品側(cè)(S)和參考側(cè)(R)的2個熱電堆反向串聯(lián)而成，而樣品側(cè)和參考側(cè)的熱電堆則由若干對貴金屬熱電偶按星型布置正向串聯(lián)而成。
熱流傳感器為DSC儀器的核心技術(shù)。上圖中DSC傳感器為第三代傳感器，目前國際上已有采用MEMS工藝的第四代傳感器。反觀國內(nèi)相關(guān)廠商的DSC傳感器技術(shù)還是停留在最原始的第一代。可見，即便簡簡單單的熱電偶測溫技術(shù)，仍然可以衍生出很多高端應用。
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