常規測量指南-如何進(jìn)行熱電偶測量

　　概覽

　　美國國家儀器公司的《常規測量指南》是獲取常用傳感器和信號測量信息的統一資源入門(mén)指導。以下每一個(gè)文檔講到相應信號/傳感器的工作原理，并且提供如何測量的指導。這些文檔的目的是幫助您快速開(kāi)始測量工作。

　　溫度和熱電偶概述

　　溫度是對物體樣本中粒子平均動(dòng)能的測量方式，其標準單位是“度”。溫度可以通過(guò)不同方法進(jìn)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(jiàn)的測量溫度的傳感器，因為熱電偶相對而言?xún)r(jià)格便宜而且精確度高，并且其測量范圍相對較寬。

　　每當兩個(gè)不同的金屬接觸，接觸點(diǎn)聚會(huì )產(chǎn)生一個(gè)以溫度為函數的較低的空載電壓，這就是熱電效應。這個(gè)溫差電壓就是Seebeck電壓，以1821年發(fā)現該現象的物理學(xué)家Thomas Seebeck命名。該電壓相對于溫度是非線(xiàn)性的，但是對于小范圍內的變化溫度可以近似的認為是線(xiàn)性的，或者： (1)

　　式中，ΔV是電壓變化，S是Seebeck系數，而ΔT是溫度變化。

　　熱電偶的類(lèi)型有很多種，并且都根據美國國家標準學(xué)會(huì )（ANSI）公約規定，由大些字母注明其成分。例如，J型熱電偶由一個(gè)鐵制導體和一個(gè)銅鎳合金導體構成。熱電偶的其他類(lèi)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(jìn)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，以后部分將陸續講解如何實(shí)現熱電偶同儀器之間的連接以及如何進(jìn)行溫度測量。

　　熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測量系統上連接到測量系統上會(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量系統連接而進(jìn)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(jìn)行測量。兩個(gè)熱電偶線(xiàn)路同數據采集設備的銅質(zhì)接線(xiàn)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，并在數據采集終端都會(huì )產(chǎn)生一個(gè)同溫度成比例的溫差電壓，稱(chēng)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)從測量電壓中減去J2和J3寄生結電壓分量而得到J1接點(diǎn)的電壓。

　　熱電偶需要一個(gè)特定的溫度基準來(lái)補償該冷端產(chǎn)生的誤差。最常用規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(gè)處理方法被稱(chēng)為冷端補償，可以利用某些熱電偶的特性來(lái)簡(jiǎn)化計算冷端補償。

　　通過(guò)使用金屬過(guò)渡層的熱電偶定律以及其他假設條件，我們可知電壓數據采集系統的測量只取決于熱電偶類(lèi)型，測量端電壓和冷端溫度。測量電壓同測量導線(xiàn)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線(xiàn)。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電路所測得的任何結果都適用于圖1所示電路。

　　圖3. 在等溫環(huán)境中插入一個(gè)附加導線(xiàn)

　　圖3中，J2和J4接點(diǎn)屬于同一類(lèi)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(gè)Seebeck正電壓，J2端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck負電壓。因此，接點(diǎn)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(diǎn)都是鐵—銅鎳合金接點(diǎn)。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(diǎn)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。