传感器技术----热电偶测量

1. 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，?V是电压变化，S是Seebeck系数，而?T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。

2. 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。

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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。

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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V_Jx(T_y)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：

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

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

注意到在（2）式中，V_Jx(T_y)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V_J1和V_J3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V_J3(T_ref ) = -V_J1(T_ref )。又因为V_J1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V_TC。因此，2式可以改写成下式：

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

因此，通过测量V_MEAS和T_ref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的技术——硬件补偿和软件补偿。两种技术都需要使用可直接读取传感器得到基准端温度。可直接读取传感器有一个只由测量点温度决定的输入端。半导体传感器，电热调节器和RTD都是常用的测量基准端温度的仪器。

使用硬件补偿，可以将一个可变电压源插入到电路中，撤销寄生温差电压。可变电压源根据环境温度产生一个补偿电压，这样附加到修正电压上用来撤销不需要的温差信号。当这些寄生信号都被去除了，数据采集系统测量的唯一信号就是从热电偶测量端测得的电压。使用硬件补偿的情况下，数据采集系统终端的温度是不相关的，因为其中的寄生性热电偶电压已经被取消了。硬件补偿的主要不足之处在于，每种热电偶必须拥有一个分开的能够附加修正补偿电压的补偿电路，这样就会大大增加电路的成本。通常情况下，硬件补偿在精度上也不及软件补偿。

或者您可以选择使用软件来进行冷端补偿。在使用可直接读取传感器测量得到基准端温度后，软件能够在被测电压上附加一个适合的电压值来消除冷端电压的影响。回忆（3）式中指明被测电压V_MEAS等于（热电偶）测量端接点和冷端接点之间的电压差值。

热电偶输出电压是高度非线性的。Seebeck系数会因为一些热电偶的运行温度区域中三个或以上的因素而有所变化。因此，您必须使用多项式来模拟热电偶中电压VS温度曲线或者使用查表法。

3. 连接热电偶到仪器上

此部分以使用 NI cDAQ-9172底板和 NI 9211 C系列热电偶模块为例。相似的程序适用于连接热电偶到不同仪器上（见图4）。

所需设备：

NI 9211四通道，14Sa/s，24-位，?80毫伏热电偶输入模块
J型热电偶

图4. NI CompactDAQ 系统

NI 9211拥有一个10接线点、可分离螺旋式接线柱连接器，提供能支持4个热电偶输入通道的连接。每个通道都分别有连接热电偶正极的接线点，TC+，以及连接到负极的接线点，TC-。NI 9211也有一个通用接线点，COM。通常此端口内部连接到模块的参考地。图5所示为每个通道的接线分配，图6为连线示意图。