溫度和熱電偶概述

    溫度是對物體樣本中粒子平均動能的測量方式，其標準單位是“度”。溫度可以通過不同方法進行測量，測量的成本和精確度也因此各不相同。熱電偶就是其中一種常見的測量溫度的傳感器，因為熱電偶相對而言價格便宜而且精確度高，并且其測量范圍相對較寬。

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    每當(dāng)兩個不同的金屬接觸，接觸點聚會產(chǎn)生一個以溫度為函數(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Thomas Seebeck命名。該電壓相對于溫度是非線性的，但是對于小范圍內(nèi)的變化溫度可以近似的認為是線性的，或者：

(1)

    式中，?V是電壓變化，S是Seebeck系數(shù)，而?T是溫度變化。

    熱電偶的類型有很多種，并且都根據(jù)美國國家標準學(xué)會（ANSI）公約規(guī)定，由大些字母注明其成分。例如，J型熱電偶由一個鐵制導(dǎo)體和一個銅鎳合金導(dǎo)體構(gòu)成。熱電偶的其他類型包括B，E，K，N，R，S，和T。

如何測量熱電偶

背景知識

    為了更好地理解如何進行熱電偶測量，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)講解如何實現(xiàn)熱電偶同儀器之間的連接以及如何進行溫度測量。

    熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測量系統(tǒng)上連接到測量系統(tǒng)上會產(chǎn)生附加溫差電路，因此不能通過簡單地同電壓表或者其他測量系統(tǒng)連接而進行測量。

圖1. J型熱電偶

    如圖1所示，電路中使用J型熱電偶對燭火溫度進行測量。兩個熱電偶線路同數(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金屬連接口——J1,J2和J3。J1是熱電偶測量點，產(chǎn)生一個同燭火溫度成比例的Seebeck電壓。除此之外J2和J3每個都有各自的Seebeck系數(shù)，并在數(shù)據(jù)采集終端都會產(chǎn)生一個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接點的溫度，并且知道接點電壓和溫度之間的關(guān)系。這樣，就可以通過從測量電壓中減去J2和J3寄生結(jié)電壓分量而得到J1接點的電壓。

    熱電偶需要一個特定的溫度基準來補償該冷端產(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量得到參考端溫度，減去寄生端電壓分量。這個處理方法被稱為冷端補償，可以利用某些熱電偶的特性來簡化計算冷端補償。

    通過使用金屬過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)的測量只取決于熱電偶類型，測量端電壓和冷端溫度。測量電壓同測量導(dǎo)線和冷端J2、J3的電壓分量無關(guān)。

圖2. 金屬過渡層熱電偶定律

    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接點前插入了一小段銅鎳合金導(dǎo)線。所有接點處于同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點溫度相同，金屬過渡層熱電偶定律說明圖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)境中插入一個附加導(dǎo)線

    圖3中，J2和J4接點屬于同一類型（銅鎳合金）；因為兩者處于等溫環(huán)境，J2和J4也是同樣的溫度。因為電路中電流方向緣故，J4端產(chǎn)生一個Seebeck正電壓，J2端產(chǎn)生一個Seebeck負電壓。因此，接點抵消了相互之間的影響，測量電壓的總量就為零。J1和J3接點都是鐵—銅鎳合金接點。但是他們的溫度可能不同，因為他們可能不是在等溫環(huán)境中。因為他們處于不同溫度環(huán)境下，J1和J3接點都可以產(chǎn)生Seebeck電壓，但是大小不同。為了補償冷端J3，測量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測量中減去。

    使用V_Jx(T_y)符號表示Jx接點在Ty溫度時所產(chǎn)生的電壓，一般熱電偶問題簡化成下式：

V_MEAS = V_J1(T_TC ) + V_J3(T_ref )     (2)

    式中，V_MEAS表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量得到的電壓值，T_TC表示J1接點熱電偶的溫度，T_ref表示基準端的溫度。

    注意到在（2）式中，V_Jx(T_y)表示的是就某個基準溫度而言在Ty溫度環(huán)境下所產(chǎn)生的電壓。只要V_J1和V_J3是與同一個基準溫度相關(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端保持在0攝氏度情況下生成的。

    因為J3和J1是同類型的，但是產(chǎn)生相對電壓，所以V_J3(T_ref ) = -V_J1(T_ref )。又因為V_J1是熱電偶類型測試狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓，所以該電壓可以重命名為V_TC。因此，2式可以改寫成下式：

V_MEAS = V_TC (T_TC ) - V_TC (T_ref )   (3)

    因此，通過測量V_MEAS和T_ref知道了熱電偶電壓同溫度的關(guān)系，就能夠確定熱電偶測量端的溫度。

    現(xiàn)有兩種實現(xiàn)冷端補償?shù)募夹g(shù)——硬件補償和軟件補償。兩種技術(shù)都需要使用可直接讀取傳感器得到基準端溫度?？芍苯幼x取傳感器有一個只由測量點溫度決定的輸入端。半導(dǎo)體傳感器，電熱調(diào)節(jié)器和RTD都是常用的測量基準端溫度的儀器。

    使用硬件補償，可以將一個可變電壓源插入到電路中，撤銷寄生溫差電壓?？勺冸妷涸锤鶕?jù)環(huán)境溫度產(chǎn)生一個補償電壓，這樣附加到修正電壓上用來撤銷不需要的溫差信號。當(dāng)這些寄生信號都被去除了，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量的唯一信號就是從熱電偶測量端測得的電壓。使用硬件補償?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，因為其中的寄生性熱電偶電壓已經(jīng)被取消了。硬件補償?shù)闹饕蛔阒幵谟?，每種熱電偶必須擁有一個分開的能夠附加修正補償電壓的補償電路，這樣就會大大增加電路的成本。通常情況下，硬件補償在精度上也不及軟件補償。

    或者您可以選擇使用軟件來進行冷端補償。在使用可直接讀取傳感器測量得到基準端溫度后，軟件能夠在被測電壓上附加一個適合的電壓值來消除冷端電壓的影響?；貞洠?）式中指明被測電壓V_MEAS等于（熱電偶）測量端接點和冷端接點之間的電壓差值。

    熱電偶輸出電壓是高度非線性的。Seebeck系數(shù)會因為一些熱電偶的運行溫度區(qū)域中三個或以上的因素而有所變化。因此，您必須使用多項式來模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線或者使用查表法。

連接熱電偶到儀器上

    此部分以使用 NI cDAQ-9172底板和 NI 9211 C系列熱電偶模塊為例。相似的程序適用于連接熱電偶到不同儀器上（見圖4）。

所需設(shè)備：

• 用于NI CompactDAQ的 DAQ-9172 八插槽高速USB底板
• NI 9211四通道，14Sa/s，24-位，?80毫伏熱電偶輸入模塊
• J型熱電偶

圖4. NI CompactDAQ 系統(tǒng)

    NI 9211擁有一個10接線點、可分離螺旋式接線柱連接器，提供能支持4個熱電偶輸入通道的連接。每個通道都分別有連接熱電偶正極的接線點，TC+，以及連接到負極的接線點，TC-。NI 9211也有一個通用接線點，COM。通常此端口內(nèi)部連接到模塊的參考地。圖5所示為每個通道的接線分配，圖6為連線示意圖。

圖5. 終端分配

圖6. 連接示意圖

查看您的測量結(jié)果：NI LabVIEW

    現(xiàn)在熱電偶已經(jīng)連接到測試設(shè)備上，您就能夠使用LabVIEW圖形化編程軟件將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中進行可視化處理和分析了。

    圖7表明在LabVIEW編程環(huán)境下顯示被測溫度數(shù)據(jù)的一個例子。

圖7. 顯示溫度數(shù)據(jù)的LabVIEW前面板