熱電偶的信號調(diào)理

溫度是最常測的物理量，熱電偶可以完成大部分測量。但是，直接插入熱電偶，就能得出精確的讀數(shù)嗎？本文給出需要注意的方面，以及怎樣解決。

在所有溫度測量設(shè)備中，熱電偶（ TC ）可能是使用最廣泛，而最不被注意的器件。成對連接時(shí)， TC 是一種簡單高效的傳感器，在閉環(huán)溫差電流電路中，輸出與兩個(gè)結(jié)之間溫差成正比、非常小的直流電壓（參見圖 1 ）。

一個(gè)結(jié)一般保持在恒定的參考溫度上，而另一個(gè)結(jié)處于需要測量的溫度環(huán)境中。其工作原理是 Seebeck 效應(yīng)——導(dǎo)線開路端和特定溫度中兩種不同金屬結(jié)之間的熱電勢（ EMF ）值來確定溫度。傳感器開路端的電壓值以及器件溫度范圍由 Seebeck 系數(shù)確定，而 Seebeck 系數(shù)取決于構(gòu)成熱電偶導(dǎo)線的材料化學(xué)成分。 Seebeck 電壓由下式計(jì)算：

其中：	eAB	=	Seebeck 電壓
	eAB	=	Seebeck 電壓微擾
	T	=	熱電偶結(jié)的溫度微擾
		=	Seebeck 系數(shù)

熱電偶結(jié)本身并不產(chǎn)生電壓。電壓或者輸出（開路）端的電勢差是結(jié) T1 溫度和開路端 T1' 溫度的函數(shù)。 T1' 必須保持恒溫，例如 0ºC ，以確保開路端電壓變化與 T1 溫度變化成正比。從原理上講，可以采用鎳和鐵等兩種不同的金屬來制成 TC 。但是在實(shí)際中，只有少數(shù)幾種 TC 類型成為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兊臏囟认禂?shù)可重復(fù)性高，表面粗糙，輸出電壓相對較大。常用的熱電偶類型是 J 、 K 、 T 和 E ，然后是 N28 、 N14 、 S 、 R 和 B （參見圖 2 ）。理論上，可以查找標(biāo)準(zhǔn)表的 Seebeck 電壓 得出結(jié)溫。實(shí)踐中，不能直接使用該電壓，因?yàn)闇y量設(shè)備本身的銅終端熱電偶導(dǎo)線連接也含有熱電偶結(jié)（除非 TC 引線也是銅），輸出另一個(gè) EMF ——它必須被補(bǔ)償?shù)簟?

冷結(jié)補(bǔ)償（ CJC ）
在儀器終端補(bǔ)償 EMF 的常用方法是將冷參考結(jié)熱電偶浸入冰水池中，與測量熱電偶相串聯(lián)（參見圖 3 ）。在該例中，銅引線連接至儀器的輸入端。一種替代方法是使用一個(gè)熱電偶，其銅 - 康銅連接浸入到參考冰水中，如圖 3 所示。

冰水中的康銅 - 銅熱電偶結(jié) J2 輸出較小的 EMF ，抵消了熱電偶 J1 的 EMF ，因此，在儀器或者 DA 系統(tǒng)輸入端測量的電壓與 NIST 表精確對應(yīng)。同樣的，也不需要補(bǔ)償連接至儀器等溫模塊銅終端的銅線，因?yàn)槎叨际倾~，溫度相同。電壓讀數(shù)全部來自 NIST 校準(zhǔn)過的康銅 - 銅熱電偶導(dǎo)線。

但是，上面的例子比較特殊，因?yàn)?T 型熱電偶的一條引線是銅。對康銅 - 鐵熱電偶的情況需要進(jìn)一步考慮（參見圖 4 ）。冰水中的 J2 保持恒溫， J1 測量環(huán)境溫度。盡管 J3 和 J4 是實(shí)際的熱電偶結(jié)，它們在等溫模塊中處于相同的溫度，因此，產(chǎn)生相等的反相電壓，彼此抵消。凈電壓是熱電偶 J1 輸出的 T1 ，與 NIST 標(biāo)準(zhǔn)表進(jìn)行了校準(zhǔn)。如果 I/O 模塊不是等溫的，需要在輸入端和銅 - 鐵引線間加入銅引線，銅 - 鐵結(jié)（ J3 和 J4 ）也應(yīng)保持在冰水中（參見圖 5 ）。

軟件補(bǔ)償。 冰水和多個(gè)參考結(jié)導(dǎo)致測試設(shè)備龐大，設(shè)置和維護(hù)繁瑣。不過，這都可以采取措施避免。當(dāng)引線和參考結(jié)點(diǎn)（儀表中的等溫模塊）的溫度相等時(shí)，可以不采用冰水。通過計(jì)算機(jī)軟件，可以參考終端的 EMF 校正，補(bǔ)償 NIST 標(biāo)準(zhǔn)。

去掉冰水后，還需要采用 CJC 才能實(shí)現(xiàn)精確的熱電偶測量。由軟件讀取等溫模塊溫度。一種常用的方案是將一個(gè)熱敏電阻靠近等溫終端模塊安裝，而該模塊連接至外部熱電偶引線。

在含有熱敏電阻和終端的區(qū)域中，不能出現(xiàn)溫度梯度（參見圖 6 ）。對不同的通道，預(yù)先設(shè)置熱電偶類型，軟件的動態(tài)輸入數(shù)據(jù)包括等溫模塊溫度和所測環(huán)境溫度。軟件利用等溫模塊溫度和熱電偶類型從表中查找電壓所對應(yīng)的測量溫度，或者由多項(xiàng)式更迅速的計(jì)算出溫度。這種方法支持各種類型熱電偶構(gòu)成多個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行溫度測量，由計(jì)算機(jī)自動處理所有的轉(zhuǎn)換。

硬件補(bǔ)償。 多項(xiàng)式近似的方法比查找表要快，而硬件方法更快，因?yàn)榭梢粤⒓磼呙璧贸稣_的電壓。一種方法是在電路中增加電池，抵消參考結(jié)的失調(diào)電壓，總效果等于一個(gè) 0ºC 結(jié)。利用這種原理，更實(shí)際的方法是“電冰點(diǎn)參考法”，由電池或者相似的電壓源供電的溫度傳感電路產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓輸出（參見圖 7A ）。該電壓對應(yīng)于一個(gè) 0ºC 等效參考結(jié)。

圖 7. 也可以采用多種電路或者模塊來替代冰水池。溫度敏感電阻根據(jù)所需的溫度補(bǔ)償值（ A ），按比例修改校正電壓值。一個(gè)典型的輸入掃描模塊可以容納 56 個(gè)任意類型的熱電偶，最多可以將 896 個(gè)通道連接至一個(gè) A/D 主機(jī)（ B ）。

混合類型
熱電偶測試系統(tǒng)通常能夠同時(shí)測量數(shù)十到數(shù)百個(gè)點(diǎn)。為了方便處理如此多的通道，不用分別對每個(gè)通道進(jìn)行 TC 補(bǔ)償，采用了熱電偶掃描模塊，它具有多個(gè)輸入通道，任何通道都能夠同時(shí)使用多種類型的熱電偶。這種模塊含有特殊的銅輸入終端模塊，帶有大量的 CJC 傳感器，不論傳感器是何種類型，都能實(shí)現(xiàn)精確的讀取。而且，模塊含有一個(gè)內(nèi)置自動調(diào)零通道和 CJC 通道。盡管與其他類型的掃描模塊相比，其測量速率相對要慢一些，但是讀數(shù)精度高、噪聲低、穩(wěn)定，采集時(shí)間只有幾個(gè)毫秒。例如，可以在 3ms 內(nèi)測量一個(gè) TC 通道， 16ms 內(nèi)測量 14 個(gè) TC 通道， 61ms 內(nèi)測量 56 個(gè) TC 通道。典型測量精度優(yōu)于 0.7ºC ，通道間偏差一般小于 0.5ºC （參見圖 7B ）。

線性化。 通過硬件或者軟件設(shè)置等價(jià)冰點(diǎn)參考 EMF 后，所測量的熱電偶輸出必須轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。輸出與 TC 結(jié)的溫度成正比，但是在較大范圍內(nèi)線性較差。

對于任何溫度，要獲得高精度的轉(zhuǎn)換值，可以將所測的熱電偶電壓值帶入到特定類型熱電偶的特征方程中。方程為 6 至 10 階多項(xiàng)式。（ 可以從 NIST 中查到熱電偶多項(xiàng)式系數(shù)。 ）計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行計(jì)算，但是處理高階多項(xiàng)式的時(shí)間比較長。為了提高計(jì)算速度，將熱電偶特征曲線分成幾段。每一段由一個(gè)低階多項(xiàng)式進(jìn)行近似。

有時(shí)候使用模擬電路對曲線進(jìn)行線性化處理，但是不使用多項(xiàng)式方法時(shí)，熱電偶輸出一般連接至 ADC 輸入，由存儲在計(jì)算機(jī)存儲器中的表格獲得正確的電壓至溫度匹配。例如， DA 系統(tǒng)的 TC 卡包含的軟件驅(qū)動程序含有溫度轉(zhuǎn)換庫，將原始的二進(jìn)制 TC 通道和 CJC 信息變換成溫度讀數(shù)，對連接到系統(tǒng)中的熱電偶自動進(jìn)行線性化處理。

潛在的問題及其解決方案
噪聲環(huán)境。 由于熱電偶產(chǎn)生的電壓相對較小，噪聲的影響比較顯著。最常見的噪聲源來自供電電源的影響（ 50 或者 60Hz ）。由于熱電偶帶寬低于 50Hz ，對每一通道進(jìn)行簡單的濾波就可以降低干擾交流噪聲。普通濾波器可以采用電阻和電容構(gòu)成，有源濾波器則可以采用運(yùn)算放大器。盡管無源 RC 濾波器價(jià)格低，適用于模擬電路，但是不建議應(yīng)用于復(fù)用前端，這是因?yàn)閺?fù)用器負(fù)載會改變?yōu)V波器的特性。另一方面，由運(yùn)算放大器和少量無源元件構(gòu)成的有源濾波器雖然效果較好，但是價(jià)格昂貴，電路復(fù)雜。而且，必須對每一通道進(jìn)行校準(zhǔn)，以補(bǔ)償增益和失調(diào)誤差（參見圖 8 ）。

圖 8. 不同的應(yīng)用，無源濾波器（ A ）可以采用不同的配置。該電路可以采用一段或者多段的形式，以便得到越來越陡峭的曲線斜率。有源濾波器（ B ）可以很容易的去除常見的電噪聲源，例如 50/60Hz 電源線的干擾，這些噪聲影響了熱電偶信號。

熱電偶組裝。 熱電偶是兩種不同的金屬線絞合在一起，焊接形成一個(gè)結(jié)。如果不能很好的組裝，可能會產(chǎn)生各種誤差。例如，金屬線不應(yīng)簡單的絞合在一起形成結(jié)，而應(yīng)該通過焊接形成。只有在相對較低的溫度下，一般低于 200ºC ，焊接效果才比較好。盡管焊接也加入了第三種金屬，例如鉛錫合金，但只要結(jié)的兩側(cè)保持相同的溫度，幾乎不會引入誤差。對結(jié)進(jìn)行焊接雖然是較好的方法，但是不能改變導(dǎo)線的特性。商用熱電偶結(jié)一般為容性焊接，以保證均勻性，防止受到污染。

如果改變熱電偶導(dǎo)線的物理組成，那么熱電偶的定標(biāo)將會失效，指示錯(cuò)誤的溫度，將達(dá)不到 NIST 標(biāo)準(zhǔn)。有多種因素都會導(dǎo)致這種影響，包括在極端溫度環(huán)境中，對金屬進(jìn)行冷處理，安裝時(shí)對線纜拉伸過大，振動或者存在溫度梯度等。

溫度升高，絕緣電阻減小也會導(dǎo)致熱電偶輸出變化。這種變化呈指數(shù)形式，可能產(chǎn)生非常小的漏電阻，將開路熱電偶線探測電路旁路。在使用薄型熱電偶線的高溫應(yīng)用中，絕緣電阻的減小會形成一個(gè)虛結(jié)（參見圖 9 ）。 DA 系統(tǒng)將測量虛結(jié) T1 的輸出電壓，而不是實(shí)際的 T2 結(jié)。

圖 9. 熱電偶引線間的短路或者絕緣失效會形成不易察覺的多余熱電偶結(jié)——虛結(jié)。

而且，高溫會釋放出熱電偶線絕緣層中的雜質(zhì)和化學(xué)物質(zhì)，這些物質(zhì)攙雜到熱電偶金屬中，改變了熱電偶的特性，導(dǎo)致溫度電壓關(guān)系偏離公布的數(shù)值。選擇耐高溫的絕緣層有助于減小這一問題的影響。

熱電偶隔離。 熱電偶隔離能夠降低由地回路引起的噪聲和誤差。例如，大量的長引線熱電偶直接連接發(fā)電機(jī)組（或者其他較大的金屬物）和熱電偶測量儀表時(shí)，這一問題尤其突出。熱電偶能夠以不同的地為參考，如果不隔離，地回路將引入相對較大的讀數(shù)誤差。

自動零位校準(zhǔn)。 從測量通道的讀數(shù)中提取短路通道的輸出可以降低系統(tǒng)模擬電路時(shí)間和溫度漂移的影響。盡管這種漂移非常小，但是對熱電偶輸出的低電平電壓影響非常大。可以采取以下兩個(gè)步驟有效的將漂移失調(diào)提取出來。首先，內(nèi)部通道排序器切換至參考節(jié)點(diǎn)，將失調(diào)誤差電壓存儲在電容上。然后，當(dāng)熱電偶通道切換至模擬通道時(shí)，存儲的誤差電壓輸出至差分放大器的失調(diào)校準(zhǔn)輸入，將失調(diào)自動抵消（參見圖 10 ）。

熱電偶開路探測。 方便迅速的探測多通道系統(tǒng)中的熱電偶開路非常重要。被振動、操作不當(dāng)、工作時(shí)間過長時(shí)，熱電偶很容易破損或者阻抗加大。一個(gè)簡單的熱電偶開路探測電路含有一個(gè)與熱電偶引線并聯(lián)的小電容，由低電壓電流進(jìn)行驅(qū)動。完整熱電偶的低阻抗對電容而言實(shí)際是短路的，因此不會對電容充電。當(dāng)熱電偶開路或者阻抗顯著變化時(shí)，電容充電，驅(qū)動輸入達(dá)到電源電壓值，指示出現(xiàn)了熱電偶失效（參見圖 11 ）。

電解作用。 某些熱電偶絕緣材料含有的染料物質(zhì)在水的作用下，形成電解液。這種電解液在引線間產(chǎn)生電解電壓，導(dǎo)致輸出信號比凈開路電壓大數(shù)百倍。在屏蔽熱電偶導(dǎo)線時(shí)進(jìn)行很好的處理，防護(hù)好潮氣和液體可以避免這一問題。

熱分流。 理想的熱電偶不會影響待測設(shè)備的溫度，但實(shí)際的熱電偶含有某些物質(zhì)塊，當(dāng)加載到待測設(shè)備上時(shí)，會影響溫度測量。可以采用直徑較小的導(dǎo)線來減小熱電偶塊的影響，但是較小的導(dǎo)線容易受雜質(zhì)、退火、拉伸和并聯(lián)阻抗的影響。一種解決方法是在結(jié)上采用較短的熱電偶導(dǎo)線，但是需要加入較重的特殊熱電偶延長線，以延長距離。延長線所用材料的凈開路電壓系數(shù)與特定熱電偶類型的相似。在較長距離上其串聯(lián)阻抗相對較低，而且與優(yōu)質(zhì)熱電偶導(dǎo)線相比，更容易穿過導(dǎo)管。除了尺寸優(yōu)勢外，延長線比標(biāo)準(zhǔn)熱電偶導(dǎo)線（特別是鉑）價(jià)格低。盡管有這些優(yōu)勢，延長線一般工作在較窄的溫度范圍內(nèi)，更容易受到機(jī)械損傷。出于這些原因，應(yīng)保證延長線上的溫度梯度盡量小，確保精確的溫度測量。熱電偶導(dǎo)線按照 NIST 規(guī)范進(jìn)行生產(chǎn)，在測試現(xiàn)場，比較容易按照已知溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。