瞭解熱電偶(thermalcouple)、測溫線、感溫線的基本原理與選擇注意事項

各型號熱電偶熱電差(µV/°C)曲線比較表

「熱電偶(thermalcouple, TC)」是由兩條不同材質的金屬線所組合而成,而在溫度量測端則必須要焊接在一起且要避免兩條金屬裸線纏絞在一起,以避免在高溫或振動環境下鬆脫、接觸不良,造成溫度量測失準之問題。

將熱電偶的另外一頭(通常被製作成插頭狀)插到測溫儀上,注意正負極不可插反,這樣子兩種不同的金屬線就會構成一個迴路。當熱電偶的焊點(溫度量測點)端接收到溫度變化時(金屬線的兩個端點有溫差),熱勢差就會在迴路內轉換成電壓差並產生電流,這種現象就被稱之為「熱電效應」或「Seebeck效應」,而這個電壓差則被稱之為「熱電位」。

其實,在同一種金屬絲上的兩端只要有溫度差就會產生熱電差,但為何熱電偶都是由兩根不同材質的金屬線組合而成,而不是單一條材質的金屬線呢?

這是因為如果只使用同一種材質的金屬線,應該會量測不到電壓差,因為迴路的上半部及下半部的湯姆森效應(Thomson effect)所產生的電位差大小將會完全相等,但方向剛好相反,因此整個迴路的總湯姆森效應的電位差就為零,沒有電子的流動。

當使用兩種不一樣的金屬材質時,因為其各自所攜帶的自由電子數不同/密度不同,當兩者互相接觸時,在接觸面上的電子就會開始擴散試圖平衡電子密度差異,只要維持金屬兩端有溫差,就能使得電子持續擴散,也就可以在金屬的兩端形成穩定的電壓差,而且可以被量測到。

熱電效應中熱電位的大小取決於兩種不同金屬線的材質種類,與線徑大小及長度無關,這個差值會隨著溫度的升高而增大,熱電差與溫度差大體上呈線性關係,所以可以被用來當成量測溫度的指標並利用在工業上。不過這個差值非常的微小,通常每攝氏度差只會產生1~70微伏的熱電差(µV/°C),所以必須要利用所謂的「熱電偶堆(thermopile)」來放大電壓差才能加以應用。

選購熱電偶時要留意下列資訊:


各種類型熱電偶的特性比較表及說明:

熱電偶種類
(Type)
材質 適用溫度
範圍 (°C)
常用溫度
(°C)
熱電壓
(µV/°C)
(+) (-)
K 鎳鉻合金 鋁鉻合金 -200~1250 700 41
N 鎳+14.2%鉻
+1.4%矽
鎳+4.4%矽
+0.1%鎂
-270~1300 1000 39
J 高純度鐵 銅鎳合金 0~750 500 52
E 鎳鉻合金 銅鎳合金 -200~900 550 68
T 高純度銅 銅鎳合金 -200~350 200 43
B 70%鉑+30%銠 94%鉑+6%銠 0~1700 1600
R 87%鉑+13%銠 0~1450 1600
S 90%鉑+10%銠 0~1450 1300 9

K-Type熱電偶 (K型;鎳鉻合金、鋁鉻合金)

K-Type為目前運用最廣的熱電偶型式,因為不含貴金屬,所以造價便宜,且可量測的範圍很廣(−200℃~+1200℃),其量測誤差約在±1.5~±2.5°C之間。K-Type的敏感度為41µV/°C,容易被偵測,且在高溫環境下也不會給系統造成過大的負荷。除非有什麼特殊需求或是要求精度較高者,否則都會選擇用K-Type。

N-Type熱電偶 (N型;鎳鉻矽合金、鎳矽鎂合金)

N-Type可以視為K-Type的改良進階版本,它有著較高的穩定性及高溫抗氧化性,常應用於高溫測量。測量範圍為 −200℃~1200℃。其量測誤差也是落在約±1.5~±2.5°C之間。敏感度為39µV/℃。N-Type一樣不含貴金屬,所以價錢可以接受,因此有越來越多人使用。

E-Type (E型;鎳鉻合金、銅鎳合金)

E-Type的電壓輸出較高(68µV/°C),所以比較適合用於量測低溫,最低可以量測到接近絕對零度,一般使用在 -270°C~900°C 為主。

J-Type (J型;高純度鐵、銅鎳合金)

J-Type為比較早期的熱電偶,現在已較少使用,目前僅使用在一些早期還無法接收其他熱電偶訊號上的設備上。J-Type的溫度量測範圍只有 –40°C~750 °C,完全可以用K-Type來取代,而且J-type的高純度鐵保存時還容易生銹氧化,所以逐漸被業界淘汰。

T-Type (T型;高純度銅、銅鎳合金)

T-Type是最適合用在測量低溫的熱電偶。T-Type具備高靈敏度、溫度近似線性、重現性好,長期使用的穩定性高且價格便宜等優點。但因T-Type的正極銅在高溫下抗氧化性能差,故使用溫度上限受到限制,一旦超過400℃就容易導致正極氧化而損壞。測量範圍為 −250至+350℃。

B-Type、R-Type、S-Type (貴金屬熱電偶、鉑/鉑銠合金)

這三種使用了貴金屬的熱電偶其實性質都蠻接近,全都適合用來量測較高溫度的環境(1300℃),穩定性也高,但因為其成本過高,所以平常不太使用。

S-Type的正極使用90%鉑+10%銠,負極使用了高純度鉑,其穩定性、響應速度、靈敏度也是三者之中最優,所以常被用來做為校正其他熱電偶之用。S-Type的長期使用溫度可達1300℃,短期使用則可達1600℃。

R-Type的正極使用87%鉑+13%銠,負極使用的也是高純度鉑,整體特性雖然跟S-Type很接近,但它可用於測量更高的溫度的環境。不過其造價相對也較貴,且需加裝保護管等其他保護裝置,因此較不常被使用。

B-Type的正極使用70%鉑+30%銠,負極使用94%鉑+6%銠,為目前市面上耐溫最高的熱電偶,長期使用可以達到1600℃,短期使用則可達1800℃。但因為其低溫區的溫度/電壓曲線容易失準,所以也不常被使用。

參考文件:


延伸閱讀:
使用負溫度係數電阻NTC來設計溫度量測線路
HotBar(熱壓熔錫焊接)介紹─HotBar原理及製程控制
SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)解說與注意事項

 
 
訪客留言內容(Comments)

No comments yet.


訪客留言注意事項:
1.首次留言通過審核後內容才會出現在版面上,請不要重覆留言。
2.留言時請在相關主題文章下留言,與主題不相關的留言將會被視為垃圾留言,請善加利用【搜尋框】尋找相關文章,找不到主題時請在「水平選單」的「留言板」留言。
3. 留言前請先用【搜尋框】尋找相關文章,自己做一點功課後再留言。沒有前因後果的內容,工作熊不一定會瞭解你在說什麼,就更無法回答你的問題。
4. 工作熊並非某一方面的專家,所以回答的內容或許會有不正確的地方,服用前還請三思。如果您想詢問關於電路板方面的工程問題,前先參考這篇文章【詢問工程問題,請提供足夠的資訊以利有效回答】 把自己的問題想清楚了再來詢問,並且請提供足夠的資訊,這樣才能有效回答問題。
5. 工作熊每則留言都會看,但不會每則留言都回答,尤其是只有問候之類的內容。
6. 留言詢問時請注意您的態度,工作熊不是你的「細漢」,更沒有拿你的薪水,所以不接受吆喝工作熊的態度來回答你的問題。
7. 歡迎您訂閱本部落格的最新文章,當有新文章時會主動以電子郵件通知你。

您有話要說(Leave a comment)

(required)

(required)