如何測量熱電偶

溫度和熱電偶概述

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，并且其測量范圍相對較寬。

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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Thomas Seebeck命名。該電壓相對于溫度是非線性的，但是對于小范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系數，而T是溫度變化。

熱電偶的類型有很多種，并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型熱電偶由一個鐵制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

背景知識

為了更好地理解如何進行熱電偶測量，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，以后部分將陸續講解如何實現熱電偶同儀器之間的連接以及如何進行溫度測量。

熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測量系統上連接到測量系統上會產生附加溫差電路，因此不能通過簡單地同電壓表或者其他測量系統連接而進行測量。

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系數，并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，并且知道接點電壓和溫度之間的關系。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。

熱電偶需要一個特定的溫度基準來補償該冷端產生的誤差。最常用規定方法就是使用可直接讀取的溫度傳感器測量得到參考端溫度，減去寄生端電壓分量。這個處理方法被稱為冷端補償，可以利用某些熱電偶的特性來簡化計算冷端補償。

通過使用金屬過渡層的熱電偶定律以及其他假設條件，我們可知電壓數據采集系統的測量只取決于熱電偶類型，測量端電壓和冷端溫度。測量電壓同測量導線和冷端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。所有接點處于同樣的溫度條件下。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于圖1所示電路。

圖3. 在等溫環境中插入一個附加導線