如何測(cè)量熱電偶

溫度和熱電偶概述

溫度是對(duì)物體樣本中粒子平均動(dòng)能的測(cè)量方式，其標(biāo)準(zhǔn)單位是“度”。溫度可以通過(guò)不同方法進(jìn)行測(cè)量，測(cè)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(jiàn)的測(cè)量溫度的傳感器，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/熱電偶">熱電偶相對(duì)而言價(jià)格便宜而且精確度高，并且其測(cè)量范圍相對(duì)較寬。

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每當(dāng)兩個(gè)不同的金屬接觸，接觸點(diǎn)聚會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(gè)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(duì)于溫度是非線性的，但是對(duì)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，V是電壓變化，S是Seebeck系數(shù)，而T是溫度變化。

熱電偶的類型有很多種，并且都根據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)（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(gè)鐵制導(dǎo)體和一個(gè)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(cè)量熱電偶

背景知識(shí)

為了更好地理解如何進(jìn)行熱電偶測(cè)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(cè)量。

熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測(cè)量系統(tǒng)上連接到測(cè)量系統(tǒng)上會(huì)產(chǎn)生附加溫差電路，因此不能通過(guò)簡(jiǎn)單地同電壓表或者其他測(cè)量系統(tǒng)連接而進(jìn)行測(cè)量。

圖1. J型熱電偶

如圖1所示，電路中使用J型熱電偶對(duì)燭火溫度進(jìn)行測(cè)量。兩個(gè)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(gè)金屬連接口——J1,J2和J3。J1是熱電偶測(cè)量點(diǎn)，產(chǎn)生一個(gè)同燭火溫度成比例的Seebeck電壓。除此之外J2和J3每個(gè)都有各自的Seebeck系數(shù)，并在數(shù)據(jù)采集終端都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(guò)從測(cè)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(gè)特定的溫度基準(zhǔn)來(lái)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(cè)量得到參考端溫度，減去寄生端電壓分量。這個(gè)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(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算冷端補(bǔ)償。

通過(guò)使用金屬過(guò)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(cè)量只取決于熱電偶類型，測(cè)量端電壓和冷端溫度。測(cè)量電壓同測(cè)量導(dǎo)線和冷端J2、J3的電壓分量無(wú)關(guān)。

圖2. 金屬過(guò)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(guò)渡層熱電偶定律說(shuō)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(cè)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(gè)附加導(dǎo)線