溫度和熱電偶概述

　　溫度（temperature）是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上來(lái)講是物體分子熱運(yùn)動(dòng)的劇烈程度。溫度只能通過(guò)物體隨溫度變化的某些特性來(lái)間接測(cè)量，而用來(lái)量度物體溫度數(shù)值的標(biāo)尺叫溫標(biāo)。根據(jù)某個(gè)可觀察現(xiàn)象（如水銀柱的膨脹），按照幾種任意標(biāo)度之一所測(cè)得的冷熱程度。溫度是物體內(nèi)分子間平均動(dòng)能的一種表現(xiàn)形式。分子運(yùn)動(dòng)愈快，物體愈熱，即溫度愈高；分子運(yùn)動(dòng)愈慢，物體愈冷，即溫度愈低。它規(guī)定了溫度的讀數(shù)起點(diǎn)（零點(diǎn)）和測(cè)量溫度的基本單位。目前國(guó)際上用得較多的溫標(biāo)有華氏溫標(biāo)（°F）、攝氏溫標(biāo)（°C）、熱力學(xué)溫標(biāo)（K）和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。從分子運(yùn)動(dòng)論觀點(diǎn)看，溫度是物體分子平均平動(dòng)動(dòng)能的標(biāo)志。溫度是大量分子熱運(yùn)動(dòng)的集體表現(xiàn)，含有統(tǒng)計(jì)意義。對(duì)于個(gè)別分子來(lái)說(shuō)，溫度是沒(méi)有意義的。

    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(lèi)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(lèi)型包括B，E，K，N，R，S，和T。

　　如何測(cè)量熱電偶

　　背景知識(shí)

　　熱電偶是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件，是由兩種不同成分的導(dǎo)體兩端接合成回路時(shí)，當(dāng)兩接合點(diǎn) 熱電偶溫度不同時(shí)，就會(huì)在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流。如果熱電偶的工作端與參比端存有溫差時(shí)，顯示儀表將會(huì)指示出熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)所對(duì)應(yīng)的溫度值。熱電偶的熱電動(dòng)熱將隨著測(cè)量端溫度升高而增長(zhǎng)，它的大小只與熱電偶材料和兩端的溫度有關(guān)，與熱電極的長(zhǎng)度、直徑無(wú)關(guān)。各種熱電偶的外形常因需要而極不相同，但是它們的基本結(jié)構(gòu)卻大致相同，通常由熱電極、絕緣套保護(hù)管和接線盒等主要部分組成，通常和顯示儀表，記錄儀表和電子調(diào)節(jié)器配套使用。

    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(chēng)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。

    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(lèi)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

    圖3中，J2和J4接點(diǎn)屬于同一類(lèi)型（銅鎳合金）；因?yàn)閮烧咛幱诘葴丨h(huán)境，J2和J4也是同樣的溫度。因?yàn)殡娐分须娏鞣较蚓壒?，J4端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck正電壓，J2端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck負(fù)電壓。因此，接點(diǎn)抵消了相互之間的影響，測(cè)量電壓的總量就為零。J1和J3接點(diǎn)都是鐵—銅鎳合金接點(diǎn)。但是他們的溫度可能不同，因?yàn)樗麄兛赡懿皇窃诘葴丨h(huán)境中。因?yàn)樗麄兲幱诓煌瑴囟拳h(huán)境下，J1和J3接點(diǎn)都可以產(chǎn)生Seebeck電壓，但是大小不同。為了補(bǔ)償冷端J3，測(cè)量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測(cè)量中減去。

    使用V_Jx(T_y)符號(hào)表示Jx接點(diǎn)在Ty溫度時(shí)所產(chǎn)生的電壓，一般熱電偶問(wèn)題簡(jiǎn)化成下式：

V_MEAS = V_J1(T_TC ) + V_J3(T_ref )     (2)

    式中，V_MEAS表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量得到的電壓值，T_TC表示J1接點(diǎn)熱電偶的溫度，T_ref表示基準(zhǔn)端的溫度。

    注意到在（2）式中，V_Jx(T_y)表示的是就某個(gè)基準(zhǔn)溫度而言在Ty溫度環(huán)境下所產(chǎn)生的電壓。只要V_J1和V_J3是與同一個(gè)基準(zhǔn)溫度相關(guān)的溫度函數(shù)，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(zhǔn)端保持在0攝氏度情況下生成的。

    因?yàn)镴3和J1是同類(lèi)型的，但是產(chǎn)生相對(duì)電壓，所以V_J3(T_ref ) = -V_J1(T_ref )。又因?yàn)閂_J1是熱電偶類(lèi)型測(cè)試狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓，所以該電壓可以重命名為V_TC。因此，2式可以改寫(xiě)成下式：

V_MEAS = V_TC (T_TC ) - V_TC (T_ref )   (3)

    因此，通過(guò)測(cè)量V_MEAS和T_ref知道了熱電偶電壓同溫度的關(guān)系，就能夠確定熱電偶測(cè)量端的溫度。

    現(xiàn)有兩種實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)——硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。兩種技術(shù)都需要使用可直接讀取傳感器得到基準(zhǔn)端溫度?？芍苯幼x取傳感器有一個(gè)只由測(cè)量點(diǎn)溫度決定的輸入端。半導(dǎo)體傳感器，電熱調(diào)節(jié)器和RTD都是常用的測(cè)量基準(zhǔn)端溫度的儀器。

    使用硬件補(bǔ)償，可以將一個(gè)可變電壓源插入到電路中，撤銷(xiāo)寄生溫差電壓?？勺冸妷涸锤鶕?jù)環(huán)境溫度產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓，這樣附加到修正電壓上用來(lái)撤銷(xiāo)不需要的溫差信號(hào)。當(dāng)這些寄生信號(hào)都被去除了，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量的信號(hào)就是從熱電偶測(cè)量端測(cè)得的電壓。使用硬件補(bǔ)償?shù)那闆r下，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端的溫度是不相關(guān)的，因?yàn)槠渲械募纳詿犭娕茧妷阂呀?jīng)被取消了。硬件補(bǔ)償?shù)闹饕蛔阒幵谟?，每種熱電偶必須擁有一個(gè)分開(kāi)的能夠附加修正補(bǔ)償電壓的補(bǔ)償電路，這樣就會(huì)大大增加電路的成本。通常情況下，硬件補(bǔ)償在上也不及軟件補(bǔ)償。

    熱電偶輸出電壓是高度非線性的。Seebeck系數(shù)會(huì)因?yàn)橐恍犭娕嫉倪\(yùn)行溫度區(qū)域中三個(gè)或以上的因素而有所變化。因此，您必須使用多項(xiàng)式來(lái)模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線或者使用查表法。

　　連接熱電偶到儀器上

    此部分以使用 NI cDAQ-9172底板和 NI 9211 C系列熱電偶模塊為例。相似的程序適用于連接熱電偶到不同儀器上（見(jiàn)圖4）。

所需設(shè)備：

• 用于NI CompactDAQ的 DAQ-9172 八插槽高速USB底板
• NI 9211四通道，14Sa/s，24-位，?80毫伏熱電偶輸入模塊
• J型熱電偶

圖4. NI CompactDAQ 系統(tǒng)

    NI 9211擁有一個(gè)10接線點(diǎn)、可分離螺旋式接線柱連接器，提供能支持4個(gè)熱電偶輸入通道的連接。每個(gè)通道都分別有連接熱電偶正極的接線點(diǎn)，TC+，以及連接到負(fù)極的接線點(diǎn)，TC-。NI 9211也有一個(gè)通用接線點(diǎn)，COM。通常此端口內(nèi)部連接到模塊的參考地。圖5所示為每個(gè)通道的接線分配，圖6為連線示意圖。

圖5. 終端分配

圖6. 連接示意圖

　　查看您的測(cè)量結(jié)果：NI LabVIEW

    現(xiàn)在熱電偶已經(jīng)連接到測(cè)試設(shè)備上，您就能夠使用LabVIEW圖形化編程軟件將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行可視化處理和分析了。

　　LabVIEW是一種程序開(kāi)發(fā)環(huán)境，由美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司研制開(kāi)發(fā)的，類(lèi)似于C和BASIC開(kāi)發(fā)環(huán)境，但是LabVIEW與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言都是采用基于文本的語(yǔ)言產(chǎn)生代碼，而LabVIEW使用的是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

　　與C和BASIC一樣，LabVIEW也是通用的編程系統(tǒng)，有一個(gè)完成任何編程任務(wù)的龐大函數(shù)庫(kù)。LabVIEW的函數(shù)庫(kù)包括數(shù)據(jù)采集、GPIB、串口控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，等等。LabVIEW也有傳統(tǒng)的程序調(diào)試工具，如設(shè)置斷點(diǎn)、以動(dòng)畫(huà)方式顯示數(shù)據(jù)及其子程序（子VI）的結(jié)果、單步執(zhí)行等等，便于程序的調(diào)試。

    圖7表明在LabVIEW編程環(huán)境下顯示被測(cè)溫度數(shù)據(jù)的一個(gè)例子。

圖7. 顯示溫度數(shù)據(jù)的LabVIEW前面板