常規(guī)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(guī)測量指南》是獲取常用傳感器和信號測量信息的統(tǒng)一資源入門指導(dǎo)。以下每一個文檔講到相應(yīng)信號/傳感器的工作原理，并且提供如何測量的指導(dǎo)。這些文檔的目的是幫助您快速開始測量工作。

　　溫度和熱電偶概述

　　溫度是對物體樣本中粒子平均動能的測量方式，其標(biāo)準(zhǔn)單位是“度”。溫度可以通過不同方法進(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的測量溫度的傳感器，因?yàn)闊犭娕枷鄬Χ詢r格便宜而且精確度高，并且其測量范圍相對較寬。

　　每當(dāng)兩個不同的金屬接觸，接觸點(diǎn)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(rèn)為是線性的，或者： (1)

　　式中，ΔV是電壓變化，S是Seebeck系數(shù)，而ΔT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(biāo)準(zhǔn)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(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(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(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(diǎn)，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(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(diǎn)的電壓。

　　熱電偶需要一個特定的溫度基準(zhǔn)來補(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(bǔ)償，可以利用某些熱電偶的特性來簡化計(jì)算冷端補(bǔ)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(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(diǎn)屬于同一類型（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剩琂4端產(chǎn)生一個Seebeck正電壓，J2端產(chǎn)生一個Seebeck負(fù)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?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，測量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測量中減去。