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——兩根不同金屬的電線在一端焊接在一起。但這種“簡單”的設備對測量系統提出了許多挑戰，包括需要放大、濾波和冷端補償（CJC）。

當成對連接時，它們是簡單而高效的傳感器，可輸出極小的直流電壓，該電壓與閉合熱電電路中兩個結之間的溫差成正比（見圖1）。

圖1：T型基本熱電偶電路。經典的熱電偶測量系統需要兩個傳感器：一個用于被測環境，另一個用于參考結，通常保持在0°C（32°F）。

一個結通常保持在恒定的參考溫度，而另一結則浸入要測量的環境中。工作原理取決于在引線的開路端和保持在特定溫度下的兩種不同金屬的結之間測量的熱電動勢（EMF）的獨特值。

單獨的熱電偶結不會產生電壓。在輸出（開路）端產生的電壓或電位差是結溫T1和開路端溫度T1‘的函數。T1’必須保持在恒定溫度，例如0°C，以確保開路電壓的變化與T1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，只有少數熱電偶類型成為標準，因為它們的溫度系數具有高度可重復性、堅固耐用且輸出相對較小的電壓。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。理論上，結溫可以通過查閱標準表從塞貝克電壓推斷出來。然而，在實踐中，這個電壓不能直接使用，因為熱電偶線連接到測量設備上的銅端子本身就構成了一個熱電偶結（除非熱電偶引線也是銅），并產生另一個需要補償的熱電動勢。

在熱電偶開路端產生的電壓差在uV范圍內非常小。使用具有例如0-10V范圍的典型多功能DAQ設備無法準確測量此電壓。這種小信號需要x100范圍內的增益，這在傳統的多功能DAQ設備上通常不具備。而且，由于熱電偶產生的電壓相對較小，因此噪聲始終是一個問題。最常見的噪聲源是交流電源線（50Hz或60Hz）。由于大多數溫度系統的帶寬低于50Hz，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。常見的濾波器包括僅使用電阻器和電容器的無源濾波器，以及使用這些組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，但不建議將其用于多路復用前端，因為多路復用器負載會改變濾波器特性。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用系統中效果很好，但它更加昂貴和復雜。

冷端補償

大型測試夾具中的冰浴和多參考結可能難以設置和維護，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到NIST標準。取消冰浴后，仍需要冷端補償以獲得準確的熱電偶測量值。軟件必須讀取等溫塊溫度。一種廣泛使用的技術是安裝在等溫接線盒附近并連接到外部熱電偶引線的熱敏電阻。包含熱敏電阻和端子的區域不允許有溫度梯度。所使用的熱電偶類型已針對其各自的通道進行了預編程，軟件的動態輸入數據包括等溫塊溫度和測量的環境溫度。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許多不同類型的熱電偶通道，同時計算機自動處理所有轉換。

開路熱電偶檢測

輕松快速地檢測開路熱電偶對于具有多通道的系統尤為重要。熱電偶在受到振動、處理不當和使用時間長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一個放置在熱電偶引線上并由低電平電流驅動的小電容器組成。完整熱電偶的低阻抗對電容器造成了虛擬短路，因此無法充電。當熱電偶打開或顯著改變電阻時，電容器充電并將輸入驅動到電壓軌之一，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，防止其通過電阻器充電。當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動到電源軌，從而發出故障信號。

熱電偶測量設備

不是專門為熱電偶測量設計的DAQ設備缺乏精確測量熱電偶所需的信號調理和CJC。USB-TC等設備具有±0.080V范圍、每通道24位A/D和NIST可追溯校準過程。這些設備可提供最準確的溫度測量，因為內部測量電子元件的精度超過了熱電偶傳感器的精度規格。