- 如何測(cè)量熱電偶
- 使用J型熱電偶對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量
- 采用硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄗx取溫度
每當(dāng)兩個(gè)不同的金屬接觸，接觸點(diǎn)聚會(huì)產(chǎn)生一個(gè)以溫度為函數(shù)的較低的空載電壓，這就是熱電效應(yīng)。這個(gè)溫差電壓就是Seebeck電壓，以1821年發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的物理學(xué)家ThomasSeebeck命名。該電壓相對(duì)于溫度是非線性的，但是對(duì)于小范圍內(nèi)的變化溫度可以近似的認(rèn)為是線性的，或者：
(1)式中，?V是電壓變化，S是Seebeck系數(shù)，而?T是溫度變化。
熱電偶的類(lèi)型有很多種，并且都根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（ANSI）公約規(guī)定，由大些字母注明其成分。例如，J型熱電偶由一個(gè)鐵制導(dǎo)體和一個(gè)銅鎳合金導(dǎo)體構(gòu)成。熱電偶的其他類(lèi)型包括B，E，K，N，R，S，和T。
如何測(cè)量熱電偶
為了更好地理解如何進(jìn)行熱電偶測(cè)量，必須先了解熱電偶工作原理。本文檔的第一部分將解釋熱電偶的基本原理，以后部分將陸續(xù)講解如何實(shí)現(xiàn)熱電偶同儀器之間的連接以及如何進(jìn)行溫度測(cè)量。
熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測(cè)量系統(tǒng)上連接到測(cè)量系統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生附加溫差電路，因此不能通過(guò)簡(jiǎn)單地同電壓表或者其他測(cè)量系統(tǒng)連接而進(jìn)行測(cè)量。
圖1.J型熱電偶
如圖1所示，電路中使用J型熱電偶對(duì)燭火溫度進(jìn)行測(cè)量。兩個(gè)熱電偶線路同數(shù)據(jù)采集設(shè)備的銅質(zhì)接線端子連接。注意該電路中有三個(gè)金屬連接口——J1,J2和J3。J1是熱電偶測(cè)量點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)同燭火溫度成比例的Seebeck電壓。除此之外J2和J3每個(gè)都有各自的Seebeck系數(shù)，并在數(shù)據(jù)采集終端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)同溫度成比例的溫差電壓，稱為冷端電壓。為了確定J1的電壓分量，就需要知道J2和J3接點(diǎn)的溫度，并且知道接點(diǎn)電壓和溫度之間的關(guān)系。這樣，就可以通過(guò)從測(cè)量電壓中減去J2和J3寄生結(jié)電壓分量而得到J1接點(diǎn)的電壓。
熱電偶需要一個(gè)特定的溫度基準(zhǔn)來(lái)補(bǔ)償該冷端產(chǎn)生的誤差。最常用規(guī)定方法就是使用可直接讀取的溫度傳感器測(cè)量得到參考端溫度，減去寄生端電壓分量。這個(gè)處理方法被稱為冷端補(bǔ)償，可以利用某些熱電偶的特性來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算冷端補(bǔ)償。
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通過(guò)使用金屬過(guò)渡層的熱電偶定律以及其他假設(shè)條件，我們可知電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測(cè)量只取決于熱電偶類(lèi)型，測(cè)量端電壓和冷端溫度。測(cè)量電壓同測(cè)量導(dǎo)線和冷端J2、J3的電壓分量無(wú)關(guān)。
圖2.金屬過(guò)渡層熱電偶定律
考慮圖3中電路。該電路同前文圖1中所描述的電路相似，但是在J3接點(diǎn)前插入了一小段銅鎳合金導(dǎo)線。所有接點(diǎn)處于同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點(diǎn)溫度相同，金屬過(guò)渡層熱電偶定律說(shuō)明圖3中的電路同圖1中的電路在電氣理論上是相同的。所以，圖3電路所測(cè)得的任何結(jié)果都適用于圖1所示電路。
圖3.在等溫環(huán)境中插入一個(gè)附加導(dǎo)線
圖3中，J2和J4接點(diǎn)屬于同一類(lèi)型（銅鎳合金）；因?yàn)閮烧咛幱诘葴丨h(huán)境，J2和J4也是同樣的溫度。因?yàn)殡娐分须娏鞣较蚓壒?，J4端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck正電壓，J2端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck負(fù)電壓。因此，接點(diǎn)抵消了相互之間的影響，測(cè)量電壓的總量就為零。J1和J3接點(diǎn)都是鐵—銅鎳合金接點(diǎn)。但是他們的溫度可能不同，因?yàn)樗麄兛赡懿皇窃诘葴丨h(huán)境中。因?yàn)樗麄兲幱诓煌瑴囟拳h(huán)境下，J1和J3接點(diǎn)都可以產(chǎn)生Seebeck電壓，但是大小不同。為了補(bǔ)償冷端J3，測(cè)量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測(cè)量中減去。
使用VJx(Ty)符號(hào)表示Jx接點(diǎn)在Ty溫度時(shí)所產(chǎn)生的電壓，一般熱電偶問(wèn)題簡(jiǎn)化成下式：
VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)
式中，VMEAS表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量得到的電壓值，TTC表示J1接點(diǎn)熱電偶的溫度，Tref表示基準(zhǔn)端的溫度。
注意到在（2）式中，VJx(Ty)表示的是就某個(gè)基準(zhǔn)溫度而言在Ty溫度環(huán)境下所產(chǎn)生的電壓。只要VJ1和VJ3是與同一個(gè)基準(zhǔn)溫度相關(guān)的溫度函數(shù)，2式就成立。例如，如前文所述的NIST熱電偶參照表就是將基準(zhǔn)端保持在0攝氏度情況下生成的。
因?yàn)镴3和J1是同類(lèi)型的，但是產(chǎn)生相對(duì)電壓，所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因?yàn)閂J1是熱電偶類(lèi)型測(cè)試狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓，所以該電壓可以重命名為VTC。因此，2式可以改寫(xiě)成下式：
VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)
因此，通過(guò)測(cè)量VMEAS和Tref知道了熱電偶電壓同溫度的關(guān)系，就能夠確定熱電偶測(cè)量端的溫度。
現(xiàn)有兩種實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)——硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。兩種技術(shù)都需要使用可直接讀取傳感器得到基準(zhǔn)端溫度?？芍苯幼x取傳感器有一個(gè)只由測(cè)量點(diǎn)溫度決定的輸入端。半導(dǎo)體傳感器，電熱調(diào)節(jié)器和RTD都是常用的測(cè)量基準(zhǔn)端溫度的儀器。
使用硬件補(bǔ)償，可以將一個(gè)可變電壓源插入到電路中，撤銷(xiāo)寄生溫差電壓。可變電壓源根據(jù)環(huán)境溫度產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓，這樣附加到修正電壓上用來(lái)撤銷(xiāo)不需要的溫差信號(hào)。當(dāng)這些寄生信號(hào)都被去除了，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量的唯一信號(hào)就是從熱電偶測(cè)量端測(cè)得的電壓。使用硬件補(bǔ)償?shù)那闆r下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端的溫度是不相關(guān)的，因?yàn)槠渲械募纳詿犭娕茧妷阂呀?jīng)被取消了。硬件補(bǔ)償?shù)闹饕蛔阒幵谟?，每種熱電偶必須擁有一個(gè)分開(kāi)的能夠附加修正補(bǔ)償電壓的補(bǔ)償電路，這樣就會(huì)大大增加電路的成本。通常情況下，硬件補(bǔ)償在精度上也不及軟件補(bǔ)償。
或者您可以選擇使用軟件來(lái)進(jìn)行冷端補(bǔ)償。在使用可直接讀取傳感器測(cè)量得到基準(zhǔn)端溫度后，軟件能夠在被測(cè)電壓上附加一個(gè)適合的電壓值來(lái)消除冷端電壓的影響。回憶（3）式中指明被測(cè)電壓VMEAS等于（熱電偶）測(cè)量端接點(diǎn)和冷端接點(diǎn)之間的電壓差值。
熱電偶輸出電壓是高度非線性的。Seebeck系數(shù)會(huì)因?yàn)橐恍犭娕嫉倪\(yùn)行溫度區(qū)域中三個(gè)或以上的因素而有所變化。因此，您必須使用多項(xiàng)式來(lái)模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線或者使用查表法。
