什么是热电偶？

热电偶是一种非常有用且广泛使用的温度测量工具，通常用于科学、工业、工程环境等领域。

它们具有体积小、响应时间短等优势，可以在各种危险或具有挑战性的环境中使用，还能快速准确地测量极端温度（270至2500℃的温度范围，具体取决配置）。

尽管具有如此出色的功能，但它们的设计十分简单，既能提供强大的功能，又颇具成本效益。通常采用字母J、K、L、N或T定义不同类型的热电偶，不同的热电偶具有不同的特性限值。有些热电偶采用特殊材料，可以承受高温和充满挑战性的环境；而另一些则较为薄弱，它们的制造成本较低，仅适合常规环境使用。

在本指南中，我们将仔细研究市售的各种热电偶，并讨论其潜在用途。

热电偶的用途

如上所述，热电偶是一种传感器工具，主要用于测量各种实体、组件或物质的未知温度。

值得注意的是，热电偶至少由两根不同金属材质的导线组成，当它们连接在一起形成电路时，会形成两个单独的电学端。一端位于待测量的未知温度的位置（“热端”或“测量端”），另一端与一个已知且稳定温度的物体连接（“冷”端或参考端）。

在任何给定时间，这两个端之间的温差会在电路内产生电压，其后续电流可用于测量未知或“热”接触点的温度。

热电偶的工作原理

热电偶基于热电学的原理工作：如上所述，当热端处的温度相对于冷端处的温度发生变化时，由异种金属线构成的闭合电路会产生电压变化。

为了更直观地了解这一原理的作用，可以想象一下，将平底锅放在煤气灶上时，热能会很快沿锅柄传递到手握的低温端处，其实电能也是这样传递的，只是效果没有那么明显罢了。

之所以如此，是因为电路上两个“端点”的温度存在差异：当各端点间的温差产生电动势时，就会形成电流，而热电偶使用随附的电压表来测量电流。如果热电偶已知低温端具有稳定的起始温度，它就可以利用这些电压读数来计算热端的精确温度读数。

另外还有一点需要注意，如果两个端点的温度相同，那么在每个端点上产生的电动势就会相互抵消，使流经端点的净电流为零。

什么是塞贝克效应？

简单来说，上述原理就是物理学家托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）发现的塞贝克效应。他是第一个发现这一效应的人，即在不同温度的两个端点处，两种不同金属结合在一起会产生电动势，并且该电动势特性取决于特定的金属组合。

另外两位物理学家帕尔贴（Peltier）和汤姆逊（Thomson）进一步完善了塞贝克的发现，即通过应用严格的科学公式，可以使用不同金属电路中记录的精确电压值来推算之前未知的温度值。

因此，现代热电偶原理至少是在三位物理学家的观察结果上得出的，而所有这些观察结果都源于塞贝克效应。

热电偶的外观

根据热电偶预期的应用和工作环境，其外观可能会有所不同。但基于下面的热电偶示例，它们均依赖于相同的基本原理和系统：

两根或多根不同的热电偶导线在电路中形成（至少）两个端，其中一个始终保持稳定的温度——通常比测量（“热端”）端的温度低，但有时可能会更高。

将电压表连接到该电路以读取由温差引起的电动势所产生的电流，然后可以利用这一电流值计算测量端的精确温度读数。

热电偶的类型

如前所述，当今市场出售各种热电偶类型，旨在应对不同的应用场景或环境挑战，尤其是应对不同的温度范围。它们通常采用字母区分，最常见的热电偶等级是J、K、L、N和T。

这些字母旨在代表热电偶电路端中使用的不同金属组合。这将直接影响设备的整体温度敏感性和安全操作范围。

在本指南的这一部分，我们将介绍究一些不同类型和配置的热电偶，以了解它们的使用环境和温度范围。

• K型热电偶众多行业和部门最常使用的类型。K型热电偶由不同的镍基导线（通常是铬合金/铝合金）构成，这是一种成本效益极高的热电偶，可以在宽泛的工作温度范围内实现可靠精度。K型热电偶通常在-200至+1260℃范围内使用，标准差精度±0.75%。K型热电偶采用镍基材料，具有广泛的潜在应用范围，即它的导线可以适用于广泛的温度范围，还具有稳定的抗腐蚀和抗氧化能力。K型热电偶导线通常由约90%的镍、10%的铬构成正极，约95%的镍、2%的铝、2%的锰和1%的硅构成负极。

• J型热电偶这是另一种广泛使用的类型，它们的温度范围要小于K型热电偶（-40至+750℃），并且如果经常暴露于高温下，它们的总寿命也会缩短。J型热电偶的正极由铁丝制成，负极由铜镍（康铜）合金构成。它是一种相对便宜的热电偶，具有多种用途，特别适合还原性（非氧化）气氛和真空环境，能够读取众多旧类型设备以及惰性材料的数据。但J型热电偶中的铁极易被氧化，如果需要将热电偶暴露于水分中，不建议使用这种类型。

• N型热电偶采用镍铬硅-镍硅合金（镍、铬和硅）构成导线，其工作温度范围为-270至+1300℃，众多特性与K型热电偶相似。但它们的价格比K型热电偶略高，因为它们克服了在特定环境中K型热电偶会存在的某些问题，是一种新开发产品。此外，N型热电偶可以为核应用提供更好的稳定性，与K型热电偶相比，它在极端高温下更适合。

• T型热电偶采用铜-康铜合金丝材料，温度范围介于-200到+350℃之间，是一种特别稳定的热电偶配置。它非常适合各种低温以及极端低温应用，包括各种实验室条件和深冻条件，在氧化性气氛中也能良好工作。此外，它只有铜线直接接触探头，还可以用于差动测量。

热电偶的用途

如前所述，不同类型和配置的热电偶已广泛用于各种家用和专业应用之中，包括家用电器、工业机械、汽车机械、实验室装置等。仅举几例以供说明：

• 恒温器热电偶

许多恒温器都含有热电偶，它是保证恒温器正常工作的关键组件。由于恒温器和热电偶的功能和名称十分相似（但截然不同），经常会将它们混淆。

避免混淆的关键是记住：热电偶是温度传感器，旨在提供读数。恒温器是设备的一部分，会根据读数自动打开和关闭设备。因此，热电偶通常是恒温器的一部分，其读数会触发恒温器执行开/关操作。

• 医用温度计热电偶

医用温度计和其他形式的医学检测、诊断和治疗设备经常使用热电偶。它们通常使用专业或小型版本，旨在更快、更准确地读取患者、热敏感机器和工艺的温度。

应用范围包括皮肤传感器、皮下注射、肿瘤检测和DNA研究、温度相关的流量感应和导管探针。许多类型的医用温度计都采用热电偶技术，使用非常细的导线进行精确测量。

• 车辆诊断用热电偶

热电偶广泛用于汽车和航空航天应用，以帮助监测和管理各种重要温度，涵盖诊断、改进发动机性能、车辆安全等所有内容。

发动机热电偶和其他车辆传感器读取的数据可用于监测和调整因素，例如废气读数、汽缸盖、火花塞功能、盘式制动器性能、电池状况以及外部环境变化。

• 锅炉、加热传感器和烤箱用热电偶

如上所述，锅炉、热水系统、温度传感器和烤箱用热电偶的工作方式与恒温器用热电偶几乎相同。这些设备处理的燃气种类需要热电偶作为安全功能，如果亮起的指示灯发出的热量未在热电偶电路上产生所需的电压，就会阻止燃气阀打开。

如果锅炉和热水系统采用热电偶，其通常会与热敏电阻互换使用，但这也并非严格准确。虽然两者均用于测量温度，但热敏电阻的基本原理略有不同，即材料内的电阻随温度的变化而变化。与热电偶不同，锅炉热敏电阻不会产生电压。

• 用于食品温度计、工业探头和传感器的热电偶

食品温度计通常会采用热电偶技术，以在食品配料和全餐的制造和准备阶段快速提供准确的温度读数。与传统的餐饮温度计不同，热电偶在烹饪时无需留在食物中。

例如数字食品温度计的热电偶具有快速的响应时间，这意味着它可以在较大物品（如肉类和家禽）的多个位置快速准确地测量温度，且无需等待温度计记录各个位置的正确热量读数。

此外，该技术还可以用于非常小的精确导线连接件，即使是无法承受标准食品温度计的非常轻薄精致的物品，它也能获得准确读数。

相同的原理适用于众多制造领域的各种工业级传感器和探针，也适用于对温度有严格要求的生产过程。许多计划用于工厂、机械或实验室应用的热电偶还具有磁探针以及坚固的热传感器，即使用于更苛刻的环境（比家用更加苛刻），也能表现良好。