熱電偶是使用最廣泛的溫度傳感設(shè)備，但可能是最不為人知的。它們簡單而高效，并提供與閉合熱電電路中兩個結(jié)點之間的溫差成比例的小電壓信號。在其最基本的配置中，一個結(jié)點保持在恒定的參考溫度，而另一個結(jié)點則與被測介質(zhì)接觸。這種介質(zhì)可以是氣體、液體或固體，但在所有情況下，介質(zhì)都不得化學(xué)、電氣或物理污染或改變熱電偶結(jié)點。對于特殊應(yīng)用或保護(hù)它們免受環(huán)境影響，可以使用帶有保護(hù)涂層和屏蔽或護(hù)套的熱電偶。

熱電偶的梯度性質(zhì)

單獨的熱電偶結(jié)不會產(chǎn)生電壓。在開放端產(chǎn)生的輸出或電位差是閉合 T1 結(jié)和 T1' 開放端溫度的函數(shù)，如圖 1 所示。工作原理取決于開放端之間產(chǎn)生的熱電動勢的唯一值引線和保持在特定溫度下的兩種不同金屬的接合處。該原理被稱為塞貝克效應(yīng)，以發(fā)現(xiàn)者的名字命名。在傳感器的開放端產(chǎn)生的電壓量和設(shè)備可以測量的溫度范圍取決于塞貝克系數(shù)，而后者又取決于構(gòu)成熱電偶線的材料的化學(xué)成分。

圖 1：T 型基本熱電偶電路

基本的熱電偶測量系統(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)。T 型是在通用溫度測量應(yīng)用中經(jīng)常使用的十幾種或更多常見熱電偶之一。它由銅和康銅金屬制成，通常在 –160 ?至 400 ? C（–328 ?至 662 ? F）的溫度范圍內(nèi)工作。.

圖 2：常見的熱電偶類型

NIST（美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所）的熱電偶表列出了熱電偶的電動勢輸出，基于保持在 0 ?C的相應(yīng)參考結(jié)。

原則上，TC 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) TC 類型成為標(biāo)準(zhǔn)類型，因為它們的溫度系數(shù)具有高度可重復(fù)性、堅固耐用且產(chǎn)生相對較大的輸出電壓。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。參見圖 2 中的表。結(jié)溫可以通過參考標(biāo)準(zhǔn)表從塞貝克電壓推斷出來. 但是，該電壓不能直接使用，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 TC 引線也是銅的）并產(chǎn)生另一個必須補償?shù)碾妱觿荨?/p>

冷端補償

用于補償儀表端子電動勢的經(jīng)典方法如圖 3 所示。此處，冷參考結(jié)熱電偶 J2 浸入實際的冰水浴中，并與測量熱電偶 J1 串聯(lián)。冰水組合使溫度浴保持恒定且準(zhǔn)確的 0 ? C (32 ? F)。NIST 的熱電偶電動勢表列出了基于保持在 0 ?C的相應(yīng)參考熱電偶結(jié)點的熱電偶的電動勢輸出。

圖 3 還描繪了單個熱電偶 J1 的示例，其康銅線連接到銅導(dǎo)線 (J2) 并浸入?yún)⒖急≈小１≈械目点~/銅熱電偶結(jié) J 2仍然包含一個熱電偶并貢獻(xiàn)一個小的電動勢，該電動勢從熱電偶 J 1產(chǎn)生的電動勢中減去。與前面的示例一樣，在儀器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入端子處測得的電壓與 NIST 表準(zhǔn)確對應(yīng)。

在本例中，兩條銅導(dǎo)線都連接到儀器上的等溫塊。這些引線不需要補償，因為它們由相同的材料制成并保持在相同的溫度。因此，電壓讀數(shù)完全來自 NIST 調(diào)整的康銅/銅熱電偶線。

圖 3：備用熱電偶冰浴

無論J2是否是外購的熱電偶，J2處康銅與銅引線形成的結(jié)點都必須放在冰浴中進(jìn)行溫度補償。

軟件補償

大型測試夾具中的冰浴和多個參比結(jié)是設(shè)置和維護(hù)的麻煩，幸運的是它們都可以消除。當(dāng)引線和參比連接點（儀器上的等溫接線端子）的溫度相同時，可以忽略冰浴。終端所需的電動勢校正可以通過計算機(jī)軟件參考和補償?shù)?span> NIST 標(biāo)準(zhǔn)。

消除冰浴后，仍然需要冷端補償 (CJC) 以獲得準(zhǔn)確的熱電偶測量值。軟件必須讀取等溫塊溫度。一種常見的技術(shù)是使用熱敏電阻，安裝在靠近連接外部熱電偶引線的等溫接線端子的位置。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。參見圖 4。所采用的熱電偶類型已針對其各自的通道進(jìn)行了預(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在表格中查找與其電壓對應(yīng)的測量溫度值，或者使用多項式方程計算溫度。

放置在引線連接附近的熱敏電阻傳感器是更換冰浴的另一種方法。測得的溫度是熱電偶溫度與參考熱敏電阻溫度之差。

硬件補償

盡管多項式方法比查找表更快，但硬件方法甚至更快，因為可以立即掃描正確的電壓。一種方法是在電路中使用電池來消除參考結(jié)的偏移電壓，因此凈效應(yīng)等于 0?C 結(jié)。一種更實用的方法是“電子冰點參考”，它根據(jù)由電池或類似電壓源供電的溫度傳感電路產(chǎn)生補償電壓。見圖

5. 然后，電壓對應(yīng)于 0?C 時的等效參考結(jié)。

類型混合

熱電偶測試系統(tǒng)通常同時測量數(shù)十到數(shù)百個點。為了方便地處理如此大量的通道，而不需要為每個通道設(shè)置單獨的、獨特的補償 TC，熱電偶掃描模塊帶有多個輸入通道，可以同時在任何通道上接受各種類型的熱電偶中的任何一種。它們包含帶有大量冷端補償傳感器的特殊銅基輸入接線端子，以確保讀數(shù)準(zhǔn)確，無論使用何種傳感器類型。此外，該模塊還包含一個內(nèi)置的自動調(diào)零通道以及冷端補償通道。雖然測量速度比大多數(shù)其他類型的掃描模塊相對慢，但讀數(shù)以毫秒為單位，它們包含的噪聲更少，并且更準(zhǔn)確和穩(wěn)定。例如，可以在 3 ms 內(nèi)測量 1 個 TC 通道，在 16 ms 內(nèi)測量 14 個通道，在 61 ms 內(nèi)測量 56 個通道。典型測量精度優(yōu)于 0.7?C ，通道間變化通常小于 0.5 ?C 。見圖 6。

圖 5：硬件冰浴更換

許多電子電路或模塊可以代替冰浴。溫度敏感電阻器根據(jù)所需的溫度補償量按比例改變電壓e的校準(zhǔn)值。

線性化

在硬件或軟件中設(shè)置等效冰點參考電動勢后，必須將測得的熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。熱電偶輸出電壓與 TC 結(jié)的溫度成正比，但在很寬的范圍內(nèi)并不是完美的線性。

獲得任何溫度的高轉(zhuǎn)換精度的標(biāo)準(zhǔn)方法是將測得的熱電偶電壓值插入到該特定類型熱電偶的特征方程中。該方程是一個六到十階的多項式。計算機(jī)會自動處理計算，但處理高階多項式需要相當(dāng)長的時間。為了加速計算，將熱電偶特性曲線分為幾段。然后每個段由一個低階多項式逼近。

偶爾使用模擬電路來線性化曲線，但當(dāng)不使用多項式方法時，熱電偶輸出電壓經(jīng)常連接到模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的輸入，從存儲的表格中獲得正確的電壓與溫度匹配在計算機(jī)的內(nèi)存中。例如，一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) TC 卡包括一個軟件驅(qū)動程序，其中包含一個溫度轉(zhuǎn)換庫，可將原始二進(jìn)制 TC 通道和 CJC 信息更改為溫度讀數(shù)。一些軟件包提供 CJC 信息并自動線性化連接到系統(tǒng)的熱電偶。

圖 6：硬件冰浴更換

一個典型的輸入掃描模塊最多可容納 56 個任何類型的熱電偶，最多可將 896 個通道連接到一個模數(shù)轉(zhuǎn)換主機(jī)。

熱電偶測量陷阱

嘈雜的環(huán)境

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。（另請參閱技術(shù)提示 60402。）最常見的噪聲源是公用電源線（50 或 60 Hz）。熱電偶帶寬低于 50 Hz，因此每個通道中的簡單濾波器可以降低干擾交流線路噪聲。常見的濾波器包括電阻器和電容器以及圍繞運算放大器構(gòu)建的有源濾波器。盡管無源 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)用器的負(fù)載會改變?yōu)V波器的特性。另一方面，由一個運算放大器和一些無源元件組成的有源濾波器效果很好，但更昂貴和復(fù)雜。此外，必須校準(zhǔn)每個通道以補償增益和偏移誤差。參見圖 7。

其他問題

熱電偶組件

熱電偶是異種電線的雙絞線，在連接處焊接或焊接在一起。如果組裝不當(dāng)，它們會產(chǎn)生各種錯誤。例如，電線不應(yīng)絞合在一起形成結(jié)；它們應(yīng)該被焊接或焊接。但焊料僅在相對較低的溫度下就足夠了，通常低于 200 ?C 。雖然焊接也會引入第三種金屬，例如鉛/錫合金，但如果結(jié)的兩側(cè)相同，則不太可能引入錯誤溫度。焊接連接是首選，但它必須在不改變電線特性的情況下完成。商業(yè)制造的熱電偶結(jié)通常與電容放電焊機(jī)連接，以確保均勻性并防止污染。

當(dāng)電線的物理組成發(fā)生變化時，熱電偶可能會變得未經(jīng)校準(zhǔn)并指示錯誤的溫度。那么它就不能滿足 NIST 標(biāo)準(zhǔn)。變化可能來自多種來源，包括暴露于極端溫度、冷加工金屬、安裝時施加在電纜上的應(yīng)力、振動或溫度梯度。

圖 7a：無源濾波器

無源濾波器有多種配置以適應(yīng)應(yīng)用。它們建在單個或多個部分中，以提供越來越陡峭的斜坡，以便更快地滾降。

圖 7b：有源濾波器

有源濾波器可輕松消除與熱電偶信號競爭的最常見電噪聲源，例如來自 50/60 Hz 電源線的干擾。

當(dāng)熱電偶的絕緣電阻隨著溫度升高而降低時，熱電偶的輸出也會發(fā)生變化。這種變化是指數(shù)級的，會產(chǎn)生非常低的漏電阻，以至于繞過開路熱電偶線檢測器電路。在使用細(xì)熱電偶線的高溫應(yīng)用中，絕緣可能退化到形成虛擬結(jié)點，如圖 8 所示。然后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將測量 T 1處的虛擬結(jié)點 而不是真實結(jié)點的輸出電壓在 T 2。

圖 8：虛擬路口

熱電偶引線之間的短路或絕緣故障會形成不需要的、無意的熱電偶結(jié)點，稱為虛擬結(jié)點。

此外，高溫會在熱電偶導(dǎo)線絕緣層內(nèi)釋放雜質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)，這些雜質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)會擴(kuò)散到熱電偶金屬中并改變其特性。然后，溫度與電壓的關(guān)系偏離了公布的值。選擇用于高溫操作的保護(hù)絕緣材料，以盡量減少這些問題。

隔離

熱電偶隔離可降低通常由接地回路引入的噪聲和誤差。當(dāng)大量帶有長引線的熱電偶直接固定在發(fā)動機(jī)缸體（或其他大型金屬物體）和熱電偶測量儀器之間時，這尤其麻煩。它們可能參考不同的接地，如果沒有隔離，接地環(huán)路會在讀數(shù)中引入相對較大的誤差。

自動調(diào)零

從測量通道的讀數(shù)中減去短路通道的輸出可以最大限度地減少時間和溫度漂移對系統(tǒng)模擬電路的影響。盡管極小，但這種漂移可能成為熱電偶提供的低電平電壓的重要組成部分。

減去由于漂移引起的偏移的一種有效方法分兩步完成。首先，內(nèi)部通道定序器切換到參考節(jié)點并將偏移誤差電壓存儲在電容器上。接下來，當(dāng)熱電偶通道切換到模擬路徑時，存儲的誤差電壓被施加到差分放大器的偏移校正輸入端，并自動消除偏移。參見圖 9。

開路熱電偶檢測

在具有眾多通道的系統(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電阻增加。一個簡單的熱電偶開路檢測電路包括一個放置在熱電偶引線兩端并用低電平電流驅(qū)動的小電容器。完整熱電偶的低阻抗會在電容器上形成虛擬短路，因此無法充電。但是，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，這肯定表明熱電偶有缺陷。參見圖 10。

圖 9：自動調(diào)零

自動調(diào)零補償模擬電路隨時間和溫度的漂移。盡管很小，但偏移量可能接近熱電偶信號的幅度。

熱電偶為電容器周圍的直流提供短路路徑，防止它通過電阻器充電。當(dāng)熱電偶由于粗暴處理或振動而打開時，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。

電流作用

一些熱電偶絕緣材料含有染料，可在有水的情況下形成電解質(zhì)。電解液在引線之間產(chǎn)生電流電壓，進(jìn)而產(chǎn)生比凈開路電壓大數(shù)百倍的輸出信號。因此，良好的安裝實踐要求保護(hù)熱電偶線免受高濕度和所有液體的影響，以避免此類問題。

熱分流

理想的熱電偶不會影響被測設(shè)備的溫度，但真正的熱電偶包含一個質(zhì)量，當(dāng)添加到被測設(shè)備時可以改變溫度測量。使用小直徑導(dǎo)線可以最大限度地減少熱電偶質(zhì)量，但較小的導(dǎo)線更容易受到污染、退火、應(yīng)變和分流阻抗的影響。幫助緩解此問題的一種解決方案是在連接處使用小熱電偶線，但添加特殊的、較重的熱電偶延長線以覆蓋長距離。這些延長線中使用的材料具有與特定熱電偶類型相似的凈開路電壓系數(shù)。它的串聯(lián)電阻在長距離內(nèi)相對較低，并且比優(yōu)質(zhì)熱電偶線更容易穿過導(dǎo)管。除了實用的尺寸優(yōu)勢，

盡管有這些優(yōu)點，延長線通常在更窄的溫度范圍內(nèi)工作，并且更容易受到機(jī)械應(yīng)力。由于這些原因，延長線上的溫度梯度應(yīng)保持在最低水平，以確保準(zhǔn)確的溫度測量。

提高線材校準(zhǔn)精度

熱電偶線按照 NIST 規(guī)范制造。通常，當(dāng)電線根據(jù)已知溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行現(xiàn)場校準(zhǔn)時，可以更接近地滿足這些規(guī)格。