常规测量指南-如何进行热电偶测量

　　概览

　　美国国家仪器公司的《常规测量指南》是获取常用传感器和信号测量信息的统一资源入门指导。以下每一个文档讲到相应信号/传感器的工作原理，并且提供如何测量的指导。这些文档的目的是帮助您快速开始测量工作。

　　温度和热电偶概述

　　温度是对物体样本中粒子平均动能的测量方式，其标准单位是“度”。温度可以通过不同方法进行测量，测量的成本和精确度也因此各不相同。热电偶就是其中一种常见的测量温度的传感器，因为热电偶相对而言价格便宜而且精确度高，并且其测量范围相对较宽。

　　每当两个不同的金属接触，接触点聚会产生一个以温度为函数的较低的空载电压，这就是热电效应。这个温差电压就是Seebeck电压，以1821年发现该现象的物理学家Thomas Seebeck命名。该电压相对于温度是非线性的，但是对于小范围内的变化温度可以近似的认为是线性的，或者： (1)

　　式中，ΔV是电压变化，S是Seebeck系数，而ΔT是温度变化。

　　热电偶的类型有很多种，并且都根据美国国家标准学会（ANSI）公约规定，由大些字母注明其成分。例如，J型热电偶由一个铁制导体和一个铜镍合金导体构成。热电偶的其他类型包括B，E，K，N，R，S，和T。

　　如何测量热电偶

　　背景知识

　　为了更好地理解如何进行热电偶测量，必须先了解热电偶工作原理。本文档的第一部分将解释热电偶的基本原理，以后部分将陆续讲解如何实现热电偶同仪器之间的连接以及如何进行温度测量。

　　热电偶Seebeck电压如果直接连到测量系统上连接到测量系统上会产生附加温差电路，因此不能通过简单地同电压表或者其他测量系统连接而进行测量。

图1. J型热电偶

　　如图1所示，电路中使用J型热电偶对烛火温度进行测量。两个热电偶线路同数据采集设备的铜质接线端子连接。注意该电路中有三个金属连接口——J1,J2和J3。J1是热电偶测量点，产生一个同烛火温度成比例的Seebeck电压。除此之外J2和J3每个都有各自的Seebeck系数，并在数据采集终端都会产生一个同温度成比例的温差电压，称为冷端电压。为了确定J1的电压分量，就需要知道J2和J3接点的温度，并且知道接点电压和温度之间的关系。这样，就可以通过从测量电压中减去J2和J3寄生结电压分量而得到J1接点的电压。

　　热电偶需要一个特定的温度基准来补偿该冷端产生的误差。最常用规定方法就是使用可直接读取的温度传感器测量得到参考端温度，减去寄生端电压分量。这个处理方法被称为冷端补偿，可以利用某些热电偶的特性来简化计算冷端补偿。

　　通过使用金属过渡层的热电偶定律以及其他假设条件，我们可知电压数据采集系统的测量只取决于热电偶类型，测量端电压和冷端温度。测量电压同测量导线和冷端J2、J3的电压分量无关。

图2. 金属过渡层热电偶定律

　　考虑图3中电路。该电路同前文图1中所描述的电路相似，但是在J3接点前插入了一小段铜镍合金导线。所有接点处于同样的温度条件下。假定J3和J4接点温度相同，金属过渡层热电偶定律说明图3中的电路同图1中的电路在电气理论上是相同的。所以，图3电路所测得的任何结果都适用于图1所示电路。

　　图3. 在等温环境中插入一个附加导线

　　图3中，J2和J4接点属于同一类型（铜镍合金）；因为两者处于等温环境，J2和J4也是同样的温度。因为电路中电流方向缘故，J4端产生一个Seebeck正电压，J2端产生一个Seebeck负电压。因此，接点抵消了相互之间的影响，测量电压的总量就为零。J1和J3接点都是铁—铜镍合金接点。但是他们的温度可能不同，因为他们可能不是在等温环境中。因为他们处于不同温度环境下，J1和J3接点都可以产生Seebeck电压，但是大小不同。为了补偿冷端J3，测量其温度并将其作用电压从热电偶测量中减去。

　　使用VJx(Ty)符号表示Jx接点在Ty温度时所产生的电压，一般热电偶问题简化成下式：

　　VMEAS = VJ1(TTC ) + VJ3(Tref ) (2)

　　式中，VMEAS表示数据采集系统测量得到的电压值，TTC表示J1接点热电偶的温度，Tref表示基准端的温度。

　　注意到在（2）式中，VJx(Ty)表示的是就某个基准温度而言在Ty温度环境下所产生的电压。只要VJ1和VJ3是与同一个基准温度相关的温度函数，2式就成立。例如，如前文所述的NIST热电偶参照表就是将基准端保持在0摄氏度情况下生成的。

　　因为J3和J1是同类型的，但是产生相对电压，所以VJ3(Tref ) = -VJ1(Tref )。又因为VJ1是热电偶类型测试状态下产生的电压，所以该电压可以重命名为VTC。因此，2式可以改写成下式：

　　VMEAS = VTC (TTC ) - VTC (Tref ) (3)

　　因此，通过测量VMEAS和Tref知道了热电偶电压同温度的关系，就能够确定热电偶测量端的温度。

现有两种实现冷端补偿