南樺第221期電子報，淺談溫度和熱電偶的概念

何謂溫度？
就性質而言，物體的溫度決定了碰觸它時所感受到的熱度或冷度。
更明確地說，溫度是物質樣本中粒子的平均動能，在標準度量中以度為單位來表示。

何謂熱電偶(Thermocouple)？
最常使用的溫度感測器之一就是熱電偶。熱電偶是非常堅固而廉價的設備，可操作在廣泛的溫度範圍內。
每當兩種不同的金屬相接觸，而且接觸點產生一道小小的開路電壓，形成溫度的函數時，就產生了熱電
偶。這種熱電電壓稱為 Seebeck 電壓，是以於 1821 年發現它的 Thomas Seebeck 為名。
這個電壓與溫度成非線性關係。但是，如果溫度只是小幅度改變，則電壓約略成線性，或是但是熱電偶
隨著溫度的改變而改變，導致熱電偶的輸出電壓在其操作範圍內呈非線性。有數種類型的熱電偶，而不
同類型則根據 American National Standards Institute (ANSI) 的慣例，以大寫字母命名，指出其組成成分。
舉例來說，J 型熱電偶具備一個鐵質導線和一個康銅（一種鎳銅合金）導線。
以下的表一是熱電偶的完整列表。

標準化熱電偶的成份和字母代號

要測量熱電偶的 Seebeck 電壓，你不能直接將熱電偶連接到電壓計或其它測量系統上，因為將熱電偶的
導線連接到量測系統會產生額外的熱電電路。

圖1. J 型熱電偶

以圖1. 所示的電路為例，一個J型熱電偶放在燭火中，你想要測量其溫度。兩條熱電偶導線分別連接至
DAQ 裝置的銅引線上。注意整個電路中包括三個不同的金屬接點──J1、J2，及J3。J1是熱電偶接點，
產生與燭火溫度成比例的Seebeck電壓。J2 和 J3 各自擁有自己的 Seebeck 係數，並且各自產生與 DAQ
端子的溫度成比例的熱電電壓。要判斷來自 J1 的電壓，你必須知道接點 J2 和 J3 的溫度，以及這些接點
的電壓與溫度的關係。然後你可以從接點J1量得的電壓中，減去附生在J2和J3接點的電壓。

熱電偶需要某種形式的溫度參照，以補償這些不必要的附生「冷」接點。最常用的方法是使用直接讀取
溫度計測量參考接點的溫度，再減去附生接點電壓。這個程序稱為冷點補償(cold-junction compensation)。
你可以利用一些熱電偶的特性，簡化冷點補償的計算。

利用熱電偶中間金屬定律(Law of Intermediate Metals)，以及做一些簡單的假設，就可以明白資料擷取系
統測量得到的電壓只和熱電偶類型、熱電偶電壓，以及冷接點溫度有關。事實上，測得的電壓與測量引
線及冷接點 J2 和 J3 的成份無關。

根據熱電偶中間金屬定律，將任何類型的導線加入熱電偶電路中，只要該導線的兩端位
於同樣的溫度，或等溫，對於輸出就沒有影響。

熱電偶使用上需要注意的部分有如下：
1. 熱電偶有多種型別，請依使用場所之環境、用途與測溫範圍適當選用。
2. 為求得正確溫度，除熱電偶型別之選定外，當需考慮耐熱、耐蝕、耐震性等因素，選擇適當的保護管。
　其他如構造及按裝方法（位置）等等也不可忽視。 �

也可以參考我公司的型錄介紹，可以客製化熱電偶。 �

熱電偶類型	導線－正極	導線－負極
B	白金-30% 銠	白金-6% 銠
E	鎳鉻合金	鎳銅合金
J	鐵	鎳銅合金
K	鎳鉻合金	鎳鋁合金
N	鎳鉻硅合金	鎳硅鎂合金
R	白金-13% 銠	白金
S	白金-10% 銠	白金
T	銅	鎳銅合金

南樺電子報 221	出刊日期 \| 2012.07.23