中心議題：

• 如何測量熱電偶

解決方案：

• 使用J型熱電偶對溫度進行測量
• 采用硬件補償和軟件補償的方法讀取溫度

溫度是對物體樣本中粒子平均動能的測量方式，其標準單位是“度”。溫度可以通過不同方法進行測量，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，因為熱電偶相對而言價格便宜而且精確度高
，並且其測量範圍相對較寬。

每當兩個不同的金屬接觸，接觸點聚會產生一個以溫度為函數的較低的空載電壓，這就是熱電效應。這個溫差電壓就是Seebeck電壓，以1821年發現該現象的物理學家ThomasSeebeck命名。該電壓相對於溫度是非線性的，但是對於小範圍內的變化溫度可以近似的認為是線性的，或者：
(1)
式中
，∆V是電壓變化
，S是Seebeck係數，而∆T是溫度變化。
熱電偶的類型有很多種，並且都根據美國國家標準學會（ANSI）公約規定，由大些字母注明其成分。例如，J型熱電偶由一個鐵製導體和一個銅鎳合金導體構成。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

為(wei)了(le)更(geng)好(hao)地(di)理(li)解(jie)如(ru)何(he)進(jin)行(xing)熱(re)電(dian)偶(ou)測(ce)量(liang)，必(bi)須(xu)先(xian)了(le)解(jie)熱(re)電(dian)偶(ou)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)。本(ben)文(wen)檔(dang)的(de)第(di)一(yi)部(bu)分(fen)將(jiang)解(jie)釋(shi)熱(re)電(dian)偶(ou)的(de)基(ji)本(ben)原(yuan)理(li)，以(yi)後(hou)部(bu)分(fen)將(jiang)陸(lu)續(xu)講(jiang)解(jie)如(ru)何(he)實(shi)現(xian)熱(re)電(dian)偶(ou)同(tong)儀(yi)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)連(lian)接(jie)以(yi)及(ji)如(ru)何(he)進(jin)行(xing)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)。

熱電偶Seebeck電(dian)壓(ya)如(ru)果(guo)直(zhi)接(jie)連(lian)到(dao)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)上(shang)連(lian)接(jie)到(dao)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)上(shang)會(hui)產(chan)生(sheng)附(fu)加(jia)溫(wen)差(cha)電(dian)路(lu)
，因(yin)此(ci)不(bu)能(neng)通(tong)過(guo)簡(jian)單(dan)地(di)同(tong)電(dian)壓(ya)表(biao)或(huo)者(zhe)其(qi)他(ta)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)連(lian)接(jie)而(er)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。

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行測量。兩個熱電偶線路同數據采集設備的銅質接線端子連接。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，產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係數，並在數據采集終端都會產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接點的溫度，並且知道接點電壓和溫度之間的關係。這樣
，就可以通過從測量電壓中減去J2和J3寄生結電壓分量而得到J1接點的電壓。

熱re電dian偶ou需xu要yao一yi個ge特te定ding的de溫wen度du基ji準zhun來lai補bu償chang該gai冷leng端duan產chan生sheng的de誤wu差cha。最zui常chang用yong規gui定ding方fang法fa就jiu是shi使shi用yong可ke直zhi接jie讀du取qu的de溫wen度du傳chuan感gan器qi測ce量liang得de到dao參can考kao端duan溫wen度du，減jian去qu寄ji生sheng端duan電dian壓ya分fen量liang。這zhe個ge處chu理li方fang法fa被bei稱cheng為wei冷leng端duan補bu償chang
，可ke以yi利li用yong某mou些xie熱re電dian偶ou的de特te性xing來lai簡jian化hua計ji算suan冷leng端duan補bu償chang。
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通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)金(jin)屬(shu)過(guo)渡(du)層(ceng)的(de)熱(re)電(dian)偶(ou)定(ding)律(lv)以(yi)及(ji)其(qi)他(ta)假(jia)設(she)條(tiao)件(jian)，我(wo)們(men)可(ke)知(zhi)電(dian)壓(ya)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)的(de)測(ce)量(liang)隻(zhi)取(qu)決(jue)於(yu)熱(re)電(dian)偶(ou)類(lei)型(xing)，測(ce)量(liang)端(duan)電(dian)壓(ya)和(he)冷(leng)端(duan)溫(wen)度(du)。測(ce)量(liang)電(dian)壓(ya)同(tong)測(ce)量(liang)導(dao)線(xian)和(he)冷(leng)端(duan)J2、J3的電壓分量無關。

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接點前插入了一小段銅鎳合金導線。所有接點處於同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點溫度相同，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果都適用於圖1所示電路。

圖3.在等溫環境中插入一個附加導線

圖3中
，J2和J4接點屬於同一類型（銅鎳合金）
；因為兩者處於等溫環境

，J2和J4也是同樣的溫度。因為電路中電流方向緣故
，J4端產生一個Seebeck正電壓，J2端產生一個Seebeck負電壓。因此，接點抵消了相互之間的影響，測量電壓的總量就為零。J1和J3接點都是鐵—銅鎳合金接點。但是他們的溫度可能不同，因為他們可能不是在等溫環境中。因為他們處於不同溫度環境下
，J1和J3接點都可以產生Seebeck電壓
，但是大小不同。為了補償冷端J3，測量其溫度並將其作用電壓從熱電偶測量中減去。

使用VJx(Ty)符號表示Jx接點在Ty溫度時所產生的電壓，一般熱電偶問題簡化成下式：
VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)
式中，VMEAS表示數據采集係統測量得到的電壓值，TTC表示J1接點熱電偶的溫度，Tref表示基準端的溫度。

注意到在（2）式中
，VJx(Ty)表示的是就某個基準溫度而言在Ty溫度環境下所產生的電壓。隻要VJ1和VJ3是與同一個基準溫度相關的溫度函數，2式就成立。例如
，如前文所述的NIST熱電偶參照表就是將基準端保持在0攝氏度情況下生成的。

因為J3和J1是同類型的，但是產生相對電壓，所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因為VJ1是熱電偶類型測試狀態下產生的電壓，所以該電壓可以重命名為VTC。因此，2式可以改寫成下式：
VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)
因此，通過測量VMEAS和Tref知道了熱電偶電壓同溫度的關係，就能夠確定熱電偶測量端的溫度。

現有兩種實現冷端補償的技術——硬(ying)件(jian)補(bu)償(chang)和(he)軟(ruan)件(jian)補(bu)償(chang)。兩(liang)種(zhong)技(ji)術(shu)都(dou)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)可(ke)直(zhi)接(jie)讀(du)取(qu)傳(chuan)感(gan)器(qi)得(de)到(dao)基(ji)準(zhun)端(duan)溫(wen)度(du)。可(ke)直(zhi)接(jie)讀(du)取(qu)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)一(yi)個(ge)隻(zhi)由(you)測(ce)量(liang)點(dian)溫(wen)度(du)決(jue)定(ding)的(de)輸(shu)入(ru)端(duan)。半(ban)導(dao)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)，電(dian)熱(re)調(tiao)節(jie)器(qi)和(he)RTD都是常用的測量基準端溫度的儀器。

使(shi)用(yong)硬(ying)件(jian)補(bu)償(chang)，可(ke)以(yi)將(jiang)一(yi)個(ge)可(ke)變(bian)電(dian)壓(ya)源(yuan)插(cha)入(ru)到(dao)電(dian)路(lu)中(zhong)，撤(che)銷(xiao)寄(ji)生(sheng)溫(wen)差(cha)電(dian)壓(ya)。可(ke)變(bian)電(dian)壓(ya)源(yuan)根(gen)據(ju)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)補(bu)償(chang)電(dian)壓(ya)，這(zhe)樣(yang)附(fu)加(jia)到(dao)修(xiu)正(zheng)電(dian)壓(ya)上(shang)用(yong)來(lai)撤(che)銷(xiao)不(bu)需(xu)要(yao)的(de)溫(wen)差(cha)信(xin)號(hao)。當(dang)這(zhe)些(xie)寄(ji)生(sheng)信(xin)號(hao)都(dou)被(bei)去(qu)除(chu)了(le)，數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)測(ce)量(liang)的(de)唯(wei)一(yi)信(xin)號(hao)就(jiu)是(shi)從(cong)熱(re)電(dian)偶(ou)測(ce)量(liang)端(duan)測(ce)得(de)的(de)電(dian)壓(ya)。使(shi)用(yong)硬(ying)件(jian)補(bu)償(chang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)終(zhong)端(duan)的(de)溫(wen)度(du)是(shi)不(bu)相(xiang)關(guan)的(de)，因(yin)為(wei)其(qi)中(zhong)的(de)寄(ji)生(sheng)性(xing)熱(re)電(dian)偶(ou)電(dian)壓(ya)已(yi)經(jing)被(bei)取(qu)消(xiao)了(le)。硬(ying)件(jian)補(bu)償(chang)的(de)主(zhu)要(yao)不(bu)足(zu)之(zhi)處(chu)在(zai)於(yu)，每(mei)種(zhong)熱(re)電(dian)偶(ou)必(bi)須(xu)擁(yong)有(you)一(yi)個(ge)分(fen)開(kai)的(de)能(neng)夠(gou)附(fu)加(jia)修(xiu)正(zheng)補(bu)償(chang)電(dian)壓(ya)的(de)補(bu)償(chang)電(dian)路(lu)，這(zhe)樣(yang)就(jiu)會(hui)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)的(de)成(cheng)本(ben)。通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)
，硬(ying)件(jian)補(bu)償(chang)在(zai)精(jing)度(du)上(shang)也(ye)不(bu)及(ji)軟(ruan)件(jian)補(bu)償(chang)。

huozheninkeyixuanzeshiyongruanjianlaijinxinglengduanbuchang。zaishiyongkezhijieduquchuanganqiceliangdedaojizhunduanwenduhou，ruanjiannenggouzaibeicedianyashangfujiayigeshihededianyazhilaixiaochulengduandianyadeyingxiang。huiyi（3）式中指明被測電壓VMEAS等於（熱電偶）測量端接點和冷端接點之間的電壓差值。

熱電偶輸出電壓是高度非線性的。Seebeck係數會因為一些熱電偶的運行溫度區域中三個或以上的因素而有所變化。因此
，您必須使用多項式來模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線或者使用查表法。