瞭解热电偶(thermocouple)、测温线、感温线的基本原理与选择注意事项

「热电偶(thermocouple, TC)」是由两条不同材质的金属线所组合而成，而在温度量测端则必须要焊接在一起且要避免两条金属裸线缠绞在一起，以避免在高温或振动环境下松脱、接触不良，造成温度量测失准之问题。

将热电偶的另外一头（通常被制作成插头状）插到测温仪上，注意正负极不可插反，这样子两种不同的金属线就会构成一个迴路。当热电偶的焊点(温度量测点)端接收到温度变化时（金属线的两个端点有温差），热势差就会在迴路内转换成电压差并产生电流，这种现象就被称之为「热电效应」或「Seebeck效应」，而这个电压差则被称之为「热电位」。

其实，在同一种金属丝上的两端只要有温度差就会产生热电差，但为何热电偶都是由两根不同材质的金属线组合而成，而不是单一条材质的金属线呢？

这是因为如果只使用同一种材质的金属线，应该会量测不到电压差，因为迴路的上半部及下半部的汤姆森效应(Thomson effect)所产生的电位差大小将会完全相等，但方向刚好相反，因此整个迴路的总汤姆森效应的电位差就为零，没有电子的流动。

当使用两种不一样的金属材质时，因为其各自所携带的自由电子数不同/密度不同，当两者互相接触时，在接触面上的电子就会开始扩散试图平衡电子密度差异，只要维持金属两端有温差，就能使得电子持续扩散，也就可以在金属的两端形成稳定的电压差，而且可以被量测到。

热电效应中热电位的大小取决于两种不同金属线的材质种类，与线径大小及长度无关，这个差值会随着温度的升高而增大，热电差与温度差大体上呈线性关系，所以可以被用来当成量测温度的指标并利用在工业上。不过这个差值非常的微小，通常每摄氏度差只会产生1～70微伏的热电差(µV/°C)，所以必须要利用所谓的「热电偶堆(thermopile)」来放大电压差才能加以应用。

选购热电偶时要留意下列资讯：

• 线径(AWG)。线径粗细虽然不会影响到温度的量测结果，却会影响穿孔及弯折能力。在SMT的测温板有穿孔及埋线需求的地方一般建议选用AWG36(线蕊直径0.127mm)，但是线径越小越容易断，如果没有特别线径要求的地方，建议选择AWG30(线蕊直径0.254mm)会比较耐用。註：线径粗细与测温结果无关。
• 适用温度范围。热电偶会因为其所被覆的保护材质而影响其适用温度范围。
• 容许误差（温度量测公差）

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各种类型热电偶的特性比较表及说明：

热电偶种类 (Type)	材质		适用温度 范围 (°C)	常用温度 (°C)	热电压 (µV/°C)
	(+)	(-)
K	镍铬合金	铝铬合金	-200~1250	700	41
N	镍+14.2%铬 +1.4%硅	镍+4.4%硅 +0.1%镁	-270~1300	1000	39
J	高纯度铁	铜镍合金	0~750	500	52
E	镍铬合金	铜镍合金	-200~900	550	68
T	高纯度铜	铜镍合金	-200~350	200	43
B	70%铂+30%铑	94%铂+6%铑	0~1700	1600
R	87%铂+13%铑	铂	0~1450	1600
S	90%铂+10%铑	铂	0~1450	1300	9

K-Type热电偶 (K型；镍铬合金、铝铬合金)

K-Type为目前运用最广的热电偶型式，因为不含贵金属，所以造价便宜，且可量测的范围很广(−200℃～+1200℃)，其量测误差约在±1.5～±2.5°C之间。K-Type的敏感度为41µV/°C，容易被侦测，且在高温环境下也不会给系统造成过大的负荷。除非有什么特殊需求或是要求精度较高者，否则都会选择用K-Type。

N-Type热电偶 (N型；镍铬硅合金、镍硅镁合金)

N-Type可以视为K-Type的改良进阶版本，它有着较高的稳定性及高温抗氧化性，常应用于高温测量。测量范围为 −200℃～1200℃。其量测误差也是落在约±1.5～±2.5°C之间。敏感度为39µV/℃。N-Type一样不含贵金属，所以价钱可以接受，因此有越来越多人使用。

E-Type (E型；镍铬合金、铜镍合金)

E-Type的电压输出较高(68µV/°C)，所以比较适合用于量测低温，最低可以量测到接近绝对零度，一般使用在 -270°C~900°C 为主。

J-Type (J型；高纯度铁、铜镍合金)

J-Type为比较早期的热电偶，现在已较少使用，目前仅使用在一些早期还无法接收其他热电偶讯号上的设备上。J-Type的温度量测范围只有 –40°C～750 °C，完全可以用K-Type来取代，而且J-type的高纯度铁保存时还容易生銹氧化，所以逐渐被业界淘汰。

T-Type (T型；高纯度铜、铜镍合金)

T-Type是最适合用在测量低温的热电偶。T-Type具备高灵敏度、温度近似线性、重现性好，长期使用的稳定性高且价格便宜等优点。但因T-Type的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制，一旦超过400℃就容易导致正极氧化而损坏。测量范围为 −250至+350℃。

B-Type、R-Type、S-Type (贵金属热电偶、铂/铂铑合金)

这三种使用了贵金属的热电偶其实性质都蛮接近，全都适合用来量测较高温度的环境（1300℃），稳定性也高，但因为其成本过高，所以平常不太使用。

S-Type的正极使用90%铂+10%铑，负极使用了高纯度铂，其稳定性、响应速度、灵敏度也是三者之中最优，所以常被用来做为校正其他热电偶之用。S-Type的长期使用温度可达1300℃，短期使用则可达1600℃。

R-Type的正极使用87%铂+13%铑，负极使用的也是高纯度铂，整体特性虽然跟S-Type很接近，但它可用于测量更高的温度的环境。不过其造价相对也较贵，且需加装保护管等其他保护装置，因此较不常被使用。

B-Type的正极使用70%铂+30%铑，负极使用94%铂+6%铑，为目前市面上耐温最高的热电偶，长期使用可以达到1600℃，短期使用则可达1800℃。但因为其低温区的温度/电压曲线容易失准，所以也不常被使用。

参考文件：

• 热电偶的基本原理与设计要点（EE Times）
• 热电效应（维基百科）

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延伸阅读：
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HotBar(热压熔锡焊接)介绍─HotBar原理及制程控制
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