什么是熱電偶？
熱電偶是一種流行且廉價的溫度測量方法。熱電偶是一種簡單的裝置——兩根不同金屬的導(dǎo)線在一端焊接在一起。但是這種“簡單”的設(shè)備給測量系統(tǒng)帶來了許多挑戰(zhàn)，包括需要放大、濾波和冷端補償 (CJC)。
當(dāng)成對連接時，它們是簡單而高效的傳感器，可輸出與閉合熱電電路中兩個結(jié)點之間的溫差成正比的極小直流電壓（見圖 1）。
圖 1：T 型基本熱電偶電路。經(jīng)典的熱電偶測量系統(tǒng)需要兩個傳感器：一個用于被測環(huán)境，另一個用于參考結(jié)，通常保持在 0 °C (32 °F)。
一個結(jié)點通常保持在恒定的參考溫度，而另一結(jié)點浸入待測環(huán)境中。工作原理取決于在引線的開放端和保持在特定溫度下的兩種不同金屬的結(jié)點之間測得的熱電動勢 (EMF) 的唯一值。
單獨的熱電偶結(jié)點不會產(chǎn)生電壓。在輸出（開路）端產(chǎn)生的電壓或電位差是結(jié)T 1的溫度和開路端T 1 '的溫度的函數(shù)。T 1 ' 必須保持在恒定溫度，例如0°C，以確保開端電壓的變化與T 1 中的溫度變化成比例. 原則上，熱電偶可以由任何兩種不同的金屬制成，例如鎳和鐵。然而，在實踐中，只有少數(shù)熱電偶類型成為標(biāo)準(zhǔn)，因為它們的溫度系數(shù)具有高度可重復(fù)性、堅固耐用且輸出電壓相對較小。最常見的熱電偶類型稱為 J、K、T 和 E，其次是 N28、N14、S、R 和 B。理論上，結(jié)溫可以通過查閱標(biāo)準(zhǔn)表從塞貝克電壓推斷出來。然而，實際上，這個電壓不能直接使用，因為熱電偶線連接到測量設(shè)備的銅端子本身就構(gòu)成了一個熱電偶結(jié)（除非熱電偶引線也是銅的）并產(chǎn)生另一個需要補償?shù)臒犭妱觿荨?/p>
在熱電偶的開放端產(chǎn)生的電壓差在 uV 范圍內(nèi)非常小。使用典型的多功能 DAQ 設(shè)備（例如 0-10 V 范圍）無法準(zhǔn)確測量此電壓。這種小信號需要 x100 范圍內(nèi)的增益，而傳統(tǒng)多功能 DAQ 設(shè)備通常不提供這種增益。而且，由于熱電偶產(chǎn)生的電壓相對較小，因此噪聲始終是一個問題。最常見的噪聲源是交流電源線（50 Hz 或 60 Hz）。由于大多數(shù)溫度系統(tǒng)的帶寬低于 50 Hz，因此每個通道中的簡單濾波器可以降低干擾 AC 線路噪聲。常見的濾波器包括僅使用電阻器和電容器的無源濾波器，以及使用這些元件和運算放大器的有源濾波器。雖然無源 RC 濾波器價格低廉且適用于模擬電路，但不建議用于多路復(fù)用前端，因為多路復(fù)用器負(fù)載會改變?yōu)V波器特性。由一個運算放大器和一些無源元件組成的有源濾波器在多路復(fù)用系統(tǒng)中運行良好，但更昂貴且更復(fù)雜。
冷端補償
大型測試夾具中的冰浴和多參考結(jié)可能難以設(shè)置和維護(hù)，但幸運的是，它們都可以消除。終端所需的 EMF 校正可以通過計算機軟件參考和補償?shù)?span> NIST 標(biāo)準(zhǔn)。取消冰浴后，仍需要冷端補償才能獲得準(zhǔn)確的熱電偶測量值。軟件必須讀取等溫塊溫度。一種廣泛使用的技術(shù)是將熱敏電阻安裝在靠近等溫端子塊并連接到外部熱電偶引線。在包含熱敏電阻和端子的區(qū)域中不允許出現(xiàn)溫度梯度。所使用的熱電偶類型已針對其各自的通道進(jìn)行預(yù)編程，軟件的動態(tài)輸入數(shù)據(jù)包括等溫塊溫度和測得的環(huán)境溫度。該軟件使用等溫塊溫度和熱電偶類型，使用多項式方程計算傳感器的溫度。該方法允許同時連接多個不同類型的熱電偶通道，同時計算機自動處理所有轉(zhuǎn)換。
開路熱電偶檢測
在具有多通道的系統(tǒng)中，輕松快速地檢測開路熱電偶尤其重要。熱電偶在受到振動、處理不當(dāng)和長時間使用時往往會斷裂或增加電阻。一個簡單的熱電偶開路檢測電路由跨熱電偶引線放置并由低電平電流驅(qū)動的小電容器組成。完整熱電偶的低阻抗對電容器造成虛擬短路，因此無法充電。當(dāng)熱電偶斷開或電阻發(fā)生顯著變化時，電容器充電并將輸入驅(qū)動到電壓軌之一，這表明熱電偶有缺陷（參見圖 2）。
圖 2：打開熱電偶檢測器。熱電偶為電容器周圍的 DC 提供短路路徑，防止它通過電阻器充電。當(dāng)熱電偶因粗暴操作或振動而斷開時，電容器充電并將輸入放大器驅(qū)動到電源軌，發(fā)出故障信號。
熱電偶測量設(shè)備
不是專門為熱電偶測量設(shè)計的 DAQ 設(shè)備缺乏準(zhǔn)確測量熱電偶所需的信號調(diào)理和 CJC。USB-TC等設(shè)備具有 ±0.080 V 范圍、每通道 24 位 A/D 和 NIST 可追溯校準(zhǔn)過程。這些設(shè)備可提供最準(zhǔn)確的溫度測量，因為內(nèi)部測量電子設(shè)備的精度超過了熱電偶傳感器的精度規(guī)格。