热电偶：最简单的测量温度的方法，却可能测出错误的数据

热电偶是最可靠和最准确的测量温度的方法。然而，如果你像Herbie那样使用热电偶的话，热电偶也可能测出错误的数据。

经验：热电偶有可能不能正常工作。

如果没有烟花，7月4日的美国独立日该怎样庆祝呢？

Herbie是实验室里的常客，上周他还拿了一个新模块到环境实验室做UL测试。这个模块是研发中心在回波消除技术方面开发的新产品。将所有的回波丢掉似乎对环境并不好，于是他们在产品中整合了一个新的芯片，这颗芯片能够从电话中剥离回波并且保存下来，然后将回波发送到那些特别需要二手的、扭曲的信息的地方，比如互联网。

UL测试项目中有一项是测试电子元器件的温度，例如变压器在改变电压或短路时的温度。为了做这次测试，Herbie从我这儿借了我最喜欢的数据采集仪以及一些热电偶线。他用胶水将热电偶线的一端黏贴在UL工程师指定的电子元器件上，将热电偶线的另外一端连接在数据采集仪上，然后打开电源开关。这时候，我接到了他的第一个电话。

“你的数据采集仪失控了！”Herbie在电话中大叫。我想我能听到电话那边的烟雾报警的声音，于是我赶紧朝实验室奔过去。

我来到实验室，所有设备都关掉了。UL测试工程师对我直皱眉头，他担心午餐前无法做完这项测试。我对Herbie说：“你演示一下，让我看看哪里出错了。”

Herbie打开数据采集仪的电源开关。采集仪开始启动，发出了轻微的声音，LED屏幕上显示了一个合理的温度读数。我轻松地拍了拍数据采集仪。

“嗯，似乎好了。”Herbie问我：“你一定对它做了什么吧？”

Herbie接着打开回波回收模块的电源开关。数据采集仪立即发出“嘟嘟”的摩斯密码声音，温度显示盘上闪烁着“666”，打印机开始吐出纸带，上面打印着乱七八糟的符号。我按下实验桌上的主电路开关按钮，所有设备都停了下来。

我的数据采集仪是好的，并没有失控。数据采集仪屏幕闪烁，其实是救了Herbie，他不至于采集一些错误的温度数据。为了解释这个神秘的现象，有必要先介绍一些热电偶的知识。

Seebeck和Peltier两个人曾经发现了一个晦涩难懂的物理现象。Seebeck观察到，用两种不同的金属^[1]导线组成一个闭环电路，如图16-1所示。当加热一个焊接点同时冷却另外一个焊接点时，在电路中会产生一个毫伏量级的电压。Peltier则发现，给这个闭环电路施加一个很小的电压时，其中一个焊接点会变热，另外一个焊接点则会变冷。第三个人Kelvin爵士最后发现，这个闭环电路中的电压与两个焊接点的温度差成正比。

图16-1 焊接在一起的两种金属导线+两个焊接点 存在温度差=金属导线闭环电路产生电流

有了这些知识，我们可以制作简单的温度计。将一张胶带纸贴在电压表刻度上，在纸上画一个新的刻度，只不过新刻度的单位是摄氏度而不是毫伏。事实上没有这么简单，尤其是制作精确的温度计。但是制作原理相同：为了测量温度，我们需要先测出电压。(www.zuozong.com)

Herbie从我这里借走的温度计本质上是一个电压表，这个电压表非常灵敏。他将热电偶线的焊接点（为了保持良好的热接触，焊接点通常是裸露的金属）直接粘在一个闭环电路中的变压器绕组上。显然变压器绕组只是涂了一层油漆，绝缘性能并不好，90～100V电压加在热电偶线上并进入到数据采集仪。数据采集仪的检测电路仅能检测20mV或30mV的电压信号，对于骤然增大至100V的电压，检测电路无法正常工作，会直接在采集仪屏幕上显示闪烁警报信息。

通过排除法，我们找到出问题的热电偶线。为了解决这个问题，我们在热电偶线和变压器绕组之间贴一小片厚度为0.001in（0.0254mm）的聚酰亚胺胶带。杜邦公司的Kapton胶带就是这种类型的胶带，0.001in厚的Kapton胶带可以耐受7000V的电压。胶带的厚度很薄，因此引入的温度测量误差也很小。

需要记住的经验

很多人认为热电偶是在测量温度，实际上它测量的是电压。当你将热电偶线贴近某个电压源时，可能会有超出你想象的电压进入热电偶。像刚刚讲的这个例子，100V的电压进入到采集仪并不是最糟糕的事情，至少采集仪能够显示闪烁的数字，使你觉察到测试数据并不可信。还有可能电压进入你的热电偶，却并不会显示一个跳动的温度数字，而是显示一个错误的温度值。例如，将热电偶线粘在5V的TO-220封装器件引脚上时，有可能会有一个很小的电流通过热电偶线进入到采集仪。热电偶是由两种不同的金属导线焊接而成，不同金属导线的电阻有差异。当电流经过两种不同的电阻时，两个电阻之间会产生电压差。然而，温度仪表测量的正是热电偶两根导线之间的微小电压，仪表会将这个微小电压解读为一个温度值，可惜这个值并不是我们要测量的温度。例如，元器件的实际温度可能是30℃，温度仪表显示的却是100℃；还有更糟糕的，元器件实际温度可能是100℃，而仪表读数却是30℃。下面是一些避免上述电压/温度错误读数的方法：

•不要将热电偶线直接贴在带电的物体表面（有些带电的物体并非显而易见）。

•使用温度仪表时，在测试点与温度仪表（含热电偶线）之间需要贴电绝缘胶带，这样做可以防止被测试电路经由热电偶线接地。

•通过关闭电子设备来检测是否有奇怪电压进入热电偶线，如果有很大的温度变化，则说明有奇怪电压进入热电偶线^[2]。

•不要试图在午饭或周末之前完成一次温度测试。

最后一条尤为重要。这是为什么我之前要说，这些是我们需要记住的经验。因为，在我帮Herbie解决了电压问题以后，我回到办公室着手修订良好设计准则，此时，真正的起火事故开始发生。

Herbie做完了温度测试之后，他觉得午饭前还能挤出时间做另外一个测试。这是一个介电强度试验，在产品的各个部位施加1400V的电压，测试产品是否有足够的电绝缘性能来避免被击穿接地。这是一个重要测试，因为这个测试可以防止我们因为接触诸如台灯、面包烤箱及吸尘器等家电而触电身亡。测试本身没有问题，唯一的问题就是测试太匆忙了。Herbie快速接上1400V电源，但是他忘记移除热电偶线，甚至忘记关闭数据采集仪。1400V的高电压确实找到了一条接地的路径，也就是经由热电偶线到达采集仪的电源，最后经过AC电源线到地。

刚开始Herbie并不知道发生了什么事情，因为没有明显的爆炸声音，只有介电测试设备发出轻微的“嘟嘟”声，显示电绝缘系统被击穿了。紧接着，Herbie闻到烟味从温度采集仪飘过来。他意识到出事了，于是，他给我打了第二个电话。

温度采集仪再也不是之前那台设备了，虽然没有完全损坏，但它在工作的时候会发出类似口吃的声音，并出现轻微的抽搐。我安抚悲伤的唯一方式就是把这件事记录下来，并且不断唠叨：“我永远，永远，不会再借设备给Herbie了。”

[1]在他那个年代，两种金属可能分别是铁和锡。——作者注

[2]当然，关闭电子设备会造成热电偶温度小幅下降，但绝不会有100℃/5s的降温幅度。——作者注