使用DAQ設(shè)備測(cè)量熱電偶的過(guò)程

什么是熱電偶？

熱電偶是一種流行且廉價(jià)的溫度測(cè)量方法。熱電偶是一種簡(jiǎn)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(jiǎn)單”的設(shè)備對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出了許多挑戰(zhàn)，包括需要放大、濾波和冷端補(bǔ)償（CJC）。

當(dāng)成對(duì)連接時(shí)，它們是簡(jiǎn)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(gè)結(jié)之間的溫差成正比（見圖1）。

圖1：T型基本熱電偶電路。經(jīng)典的熱電偶測(cè)量系統(tǒng)需要兩個(gè)傳感器：一個(gè)用于被測(cè)環(huán)境，另一個(gè)用于參考結(jié)，通常保持在0°C（32°F）。

一個(gè)結(jié)通常保持在恒定的參考溫度，而另一結(jié)則浸入要測(cè)量的環(huán)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(jié)之間測(cè)量的熱電動(dòng)勢(shì)（EMF）的獨(dú)特值。

單獨(dú)的熱電偶結(jié)不會(huì)產(chǎn)生電壓。在輸出（開路）端產(chǎn)生的電壓或電位差是結(jié)溫T1和開路端溫度T1‘的函數(shù)。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(shí)踐中，只有少數(shù)熱電偶類型成為標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼈兊臏囟认禂?shù)具有高度可重復(fù)性、堅(jiān)固耐用且輸出相對(duì)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(jié)溫可以通過(guò)查閱標(biāo)準(zhǔn)表從塞貝克電壓推斷出來(lái)。然而，在實(shí)踐中，這個(gè)電壓不能直接使用，因?yàn)闊犭娕季€連接到測(cè)量設(shè)備上的銅端子本身就構(gòu)成了一個(gè)熱電偶結(jié)（除非熱電偶引線也是銅），并產(chǎn)生另一個(gè)需要補(bǔ)償?shù)臒犭妱?dòng)勢(shì)。

在熱電偶開路端產(chǎn)生的電壓差在uV范圍內(nèi)非常小。使用具有例如0-10V范圍的典型多功能DAQ設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量此電壓。這種小信號(hào)需要x100范圍內(nèi)的增益，這在傳統(tǒng)的多功能DAQ設(shè)備上通常不具備。而且，由于熱電偶產(chǎn)生的電壓相對(duì)較小，因此噪聲始終是一個(gè)問題。最常見的噪聲源是交流電源線（50Hz或60Hz）。由于大多數(shù)溫度系統(tǒng)的帶寬低于50Hz，因此每個(gè)通道中的簡(jiǎn)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(wú)源濾波器，以及使用這些組件和運(yùn)算放大器的有源濾波器。雖然無(wú)源RC濾波器價(jià)格低廉且適用于模擬電路，但不建議將其用于多路復(fù)用前端，因?yàn)?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/多路復(fù)用器/" target="_blank">多路復(fù)用器負(fù)載會(huì)改變?yōu)V波器特性。由一個(gè)運(yùn)算放大器和一些無(wú)源元件組成的有源濾波器在多路復(fù)用系統(tǒng)中效果很好，但它更加昂貴和復(fù)雜。

冷端補(bǔ)償

大型測(cè)試夾具中的冰浴和多參考結(jié)可能難以設(shè)置和維護(hù)，但幸運(yùn)的是它們都可以消除。終端所需的EMF校正可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件參考和補(bǔ)償?shù)絅IST標(biāo)準(zhǔn)。取消冰浴后，仍需要冷端補(bǔ)償以獲得準(zhǔn)確的熱電偶測(cè)量值。軟件必須讀取等溫塊溫度。一種廣泛使用的技術(shù)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(qū)域不允許有溫度梯度。所使用的熱電偶類型已針對(duì)其各自的通道進(jìn)行了預(yù)編程，軟件的動(dòng)態(tài)輸入數(shù)據(jù)包括等溫塊溫度和測(cè)量的環(huán)境溫度。該軟件使用等溫塊溫度和熱電偶類型，使用多項(xiàng)式方程計(jì)算傳感器的溫度。該方法允許同時(shí)連接許多不同類型的熱電偶通道，同時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)處理所有轉(zhuǎn)換。

開路熱電偶檢測(cè)

輕松快速地檢測(cè)開路熱電偶對(duì)于具有多通道的系統(tǒng)尤為重要。熱電偶在受到振動(dòng)、處理不當(dāng)和使用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)往往會(huì)斷裂或增加電阻。一個(gè)簡(jiǎn)單的熱電偶開路檢測(cè)電路由一個(gè)放置在熱電偶引線上并由低電平電流驅(qū)動(dòng)的小電容器組成。完整熱電偶的低阻抗對(duì)電容器造成了虛擬短路，因此無(wú)法充電。當(dāng)熱電偶打開或顯著改變電阻時(shí)，電容器充電并將輸入驅(qū)動(dòng)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(cè)器。熱電偶為電容器周圍的DC提供短路路徑，防止其通過(guò)電阻器充電。當(dāng)熱電偶由于粗暴處理或振動(dòng)而打開時(shí)，電容器充電并將輸入放大器驅(qū)動(dòng)到電源軌，從而發(fā)出故障信號(hào)。

熱電偶測(cè)量設(shè)備

不是專門為熱電偶測(cè)量設(shè)計(jì)的DAQ設(shè)備缺乏精確測(cè)量熱電偶所需的信號(hào)調(diào)理和CJC。USB-TC等設(shè)備具有±0.080V范圍、每通道24位A/D和NIST可追溯校準(zhǔn)過(guò)程。這些設(shè)備可提供最準(zhǔn)確的溫度測(cè)量，因?yàn)閮?nèi)部測(cè)量電子元件的精度超過(guò)了熱電偶傳感器的精度規(guī)格。