溫度測量的兩種方式對比 熱電偶溫度測量與熱電阻溫度測量

關(guān)于溫度測量的方式，大家知道幾種呢？

是利用液體的體積變化來指示溫度的玻璃液體溫度計，還是把兩種線膨脹系數(shù)不同的金屬組合在一起的雙金屬溫度計呢？在測試測量領(lǐng)域，運用最多的肯定是電學(xué)測溫法：熱電偶溫度測量及熱電阻溫度測量。

接下來我們從這兩種溫度測溫法的基礎(chǔ)知識入手，了解溫度測量的原理并學(xué)習(xí)在測試測量領(lǐng)域是如何運用不同方法進行溫度的測量的。

本文分享：

溫度測量的兩種方式

一、 不同溫度測量方式的對比

NI官網(wǎng)推薦的三種溫度測量傳感器分別為熱電偶、RTD和熱敏電阻，其優(yōu)缺點如下圖所示。

熱電偶便宜，而且有很快的響應(yīng)時間，但是它精度不高而且最不穩(wěn)定，最不靈敏。熱電偶僅僅是讀取頭和線之間的溫度差異，而RTD和熱敏電阻是讀取絕對溫度值。 RTD是可靠性的最佳選擇，而且最為穩(wěn)定，精度最高。但是它的響應(yīng)時間太長而且因為它需要一個電流源，因此它有自熱產(chǎn)生。 熱敏電阻輸出很快而且相對便宜，但是它易碎而且溫度范圍有限。它同樣需要一個電流源而且比RTD的自熱現(xiàn)象更為嚴(yán)重，同時它是非線性的。 不同的溫度測量對象需要選擇合適的溫度傳感器，接下來我們來了解一下熱電偶和熱電阻的基本原理以及NI是如何使用它們來采集溫度數(shù)據(jù)的。

二、 熱電偶溫度測量

1.熱電偶傳感器的基本原理

熱電偶測溫的基本原理是：兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路,當(dāng)兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應(yīng)。

兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據(jù)熱電動勢與溫度的函數(shù)關(guān)系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時, 只要該材料兩個接點的溫度相同, 熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此, 在熱電偶測溫時, 可接入測量儀表, 測得熱電動勢后, 即可知道被測介質(zhì)的溫度。

兩種不同成份的導(dǎo)體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路，當(dāng)接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢（熱電動勢）。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端)，另一端叫做冷端(也稱為補償端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。

熱電偶的測量中，補償導(dǎo)線是非常重要的。

如上圖所示：T測量端就是我們常說的工作端或者熱端，假設(shè)T兩端的金屬材料為A和B，在1~100°C之間,A′與 A A, B′與B 熱點特性相同或相近,那么當(dāng)兩個接頭點Tn溫度相同時，就可以把A′和B′當(dāng)作A和B的延長線使用，這就是我們常說的補償導(dǎo)線。

補償導(dǎo)線可以大大節(jié)約成本，因為熱電偶兩極的金屬材料一般都是比較名貴的貴金屬材料。

理論上，熱電偶是冷端以0℃為標(biāo)準(zhǔn)進行測量的。然而，通常測量時儀表是處于室溫之下的，但由于冷端不為0℃，造成了熱電勢差減小，使測量不準(zhǔn)，出現(xiàn)誤差。因此為減少誤差所做的補償措施就是冷端溫度補償。

接下來我們來介紹幾種常見的冷端補償方法。

2.熱電偶的冷端補償

（1）什么是冷端補償？

采用熱電偶測量溫度的一個基本要求是一個端點的溫度值必須知道。若該端的溫度能保持為0℃，那么，根據(jù)測得的熱電勢，可以直接通過查分度表得到另一端點的溫度值。這個溫度固定端常稱為參比端。

（2）常見的冷端補償方法

冰點槽法：冰點槽法就是把熱電偶的冷端放入冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于在科學(xué)實驗中使用。為了避免冰水導(dǎo)電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。把參比端溫度恒定在0度，做起來成本高難度大。

計算修正法：計算修正法就是用普通室溫計算出冷端實際溫度TH，應(yīng)該注意的是由于熱電偶溫度電勢曲線的非線性，上面所說的相加是熱電勢的相加，而不是簡單的溫度相加。

利用公式計算：EAB（T,T0）=EAB（T,TH）+EAB（TH,T0）

補正系數(shù)法：把冷端實際溫度TH乘上系數(shù)k，加到由EAB（T,TH）查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即：T= T′+ k×TH。式中：T—為未知的被測溫度； T′—為參考端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應(yīng)的某個溫度；TH—室溫； k—為補正系數(shù)。

零點遷移法：在測量結(jié)果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩(wěn)定不變，電動勢EAB（TH,0）是常數(shù)，利用指示儀表上調(diào)整零點的辦法，加大某個適當(dāng)?shù)闹刀鴮崿F(xiàn)補償。應(yīng)用于冷端不是0℃，但十分穩(wěn)定（如恒溫車間或有空調(diào)的場所）。

補償器法：利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。

軟件處理法：對于計算機系統(tǒng)，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應(yīng)的常數(shù)即可。對于T0經(jīng)常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設(shè)計一些程序，便能自動修正。

（3）計算修正法示例

補充一下計算修正法的使用示例。

熱電偶的分度表都是冷端置在冰水混合物（0℃）中時得到的，而我們平常測試，冷端都是在室溫條件下；所以在室溫條件下測試時，測試得到的熱電動勢不能直接帶入分度表去計算，要加入冷端補償，把室溫到0℃這點誤差補償?shù)?。下面有個計算修正的例題：

例：用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，冷端在室溫環(huán)境TH中，測得熱電動勢EAB（T,TH）=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB（21,0）=0.832mV，故得：

EAB（T,0）=EAB（T,21）+EAB（21,T0）

=1.999+0.832

=2.831（mV）

再次查分度表，與2.831mV對應(yīng)的熱端溫度T=68℃。

注意：既不能只按1.999mV查表，認(rèn)為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認(rèn)為T=70℃。

3.NI的熱電偶測量

了解了熱電偶溫度測量的基本原理和幾個冷端補償方法后，我們來一起了解一下在測試測量領(lǐng)域，NI是如何進行熱線偶測量的？

注意：①可以參考LabVIEW范例>>熱電偶-連續(xù)輸入

②在LabVIEW中可以設(shè)置“CJC源”，這個就是用于冷端補償?shù)牟糠?。選擇不同的CJC源就可以實現(xiàn)用不同的方式去做冷端補償。

③NI采集溫度的板卡（如PXI-4353）本質(zhì)上還是一張能采毫伏級電壓的AI采集卡，板卡上只做了信號的調(diào)理（對不同熱電偶類型采用不同的調(diào)理電路）和放大，驅(qū)動中做了電壓換算成溫度的部分（NI用的是一個五階公式擬合，和標(biāo)準(zhǔn)溫度校準(zhǔn)儀器相比可能沒有人家那么精確）。

在熱電偶測量任務(wù)設(shè)置時，有三種不同的CJC源可以選擇，那么這三種模式分別代表著什么呢，其優(yōu)缺點又是什么呢？

（1）CJC源選擇“內(nèi)置”

當(dāng)前設(shè)置板卡會根據(jù)內(nèi)置的一個冷端源（通常是在接線盒TB-4353中的熱敏電阻）進行熱電偶的冷端補償。

優(yōu)點：無需額外配置和計算

缺點：有時候熱電偶的冷端（真正的冷端）和接線盒中的內(nèi)置冷端補償部分自己采集到的溫度不同，可能會有誤差

（2）CJC源選擇“常量值”

當(dāng)前設(shè)置需要測量當(dāng)前環(huán)境溫度（真正的冷端處的溫度）的值，然后輸入到CJC值中，板卡內(nèi)部會自動根據(jù)輸入的值進行冷端補償算法，這樣子算出來會比較準(zhǔn)確，具體算法就像上面2-3的例題。

優(yōu)點：冷端溫度自己測量比較準(zhǔn)確，板卡最終測出來的結(jié)果也會誤差較小

缺點：需要自行額外測量熱電偶冷端的溫度

（3）CJC源選擇“通道”

當(dāng)前設(shè)置需要將板卡的一路通道作為冷端源去使用，最好將這路通道置在冰水混合物中，模擬建立分度表時的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境，這樣板卡測出來的溫度值就是熱電偶輸出的溫度。

選擇這種模式首先需要使用一路通道建立一個MAX溫度采集任務(wù)，然后用這個任務(wù)去采集冷端溫度。

優(yōu)點：這樣測得的數(shù)據(jù)是最準(zhǔn)確的

缺點：需要額外占用一路通道去當(dāng)作采集冷端的溫度

4.如何使溫度梯度最小化

為了獲得最佳的CJC精度性能，請確保端子排附近的環(huán)境溫度和溫度梯度的變化保持在最小。

使用最小規(guī)格的導(dǎo)線可以使得接點之間傳輸較少的電流。測量時，保證連接熱電偶的導(dǎo)線線都靠近端子座，以保持在相同的溫度。將導(dǎo)線遠離熱或冷的物體。使用與熱電偶導(dǎo)線材質(zhì)相同的延長導(dǎo)線等方法都可使溫度梯度最小化，采集得到較為精確的溫度。

三、 熱電阻溫度測量

1.熱電阻溫度測量的原理

熱電阻傳感器又稱RTD，熱電阻的測溫原理與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應(yīng)進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。

RTD根據(jù)純金屬電阻變化原理工作，其特征是電阻隨溫度呈正線性變化。它由塑料薄膜上的鉑金薄膜組成。它的電阻隨溫度變化，通常可以測量高達850°C的溫度。使電流流過RTD會在RTD兩端產(chǎn)生電壓。通過測量該電壓，可以確定其電阻，從而確定其溫度。電阻和溫度之間的相對線性關(guān)系。其物理結(jié)構(gòu)如下圖所示。

以鉑熱電阻為例，根據(jù)其電阻值的不同，又可分為Pt50、Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。名稱中的數(shù)值表示熱電阻在0℃下的電阻值。Pt100就表示為是在0°C時典型電阻為100Ω的設(shè)備。下圖為鉑電阻Pt100的溫度變化曲線。

2.RTD的測量

RTD是一種無源測量設(shè)備；因此必須為其提供激勵電流，然后讀取其端子上的電壓，這樣可以將電壓轉(zhuǎn)換為溫度。為了避免由流過RTD的電流引起的自發(fā)熱，請盡可能減小該勵磁電流。

根據(jù)RTD熱電阻的引出線的數(shù)量的不同，RTD可分為兩線制、三線制和四線制。

（1）兩線制測量

兩線制RTD的引線是直接在電阻的兩端引出兩條導(dǎo)線到測溫模塊上。測溫模塊采用電橋平衡的原理，RTD作為電橋的一個臂進行測量。

兩線制測量的鉑電阻兩端各接一個引出導(dǎo)線，兩段導(dǎo)線的線阻與RTD的阻值疊加，使得測量誤差較大。阻值為RTD+RL1+RL2。下圖為兩線制鉑電阻恒流法測量電路。

兩線式鉑電阻適合測溫精度要求不高、導(dǎo)線長度較短的場合。

（2）三線制測量

為了消除兩線制線阻導(dǎo)致的誤差，許多RTD采用三線制形式。三線制是在兩線制的基礎(chǔ)上，從電阻的一端引出第三條線，如下圖所示。

三線制的鉑電阻，一端引線為兩根線，另一端引線為一根。在制作工藝上，三根導(dǎo)線材料成分、橫截面積、長度等參數(shù)保持一致，這樣測量時可以消除導(dǎo)線內(nèi)阻引入的誤差。三線制鉑電阻恒流法測量電路如下圖所示。

如上圖所示。線制鉑電阻的導(dǎo)線1和導(dǎo)線2給予一相同的恒定電流源，測得導(dǎo)線1和導(dǎo)線2間的電阻值為(R1+R2+RE)。導(dǎo)線2和導(dǎo)線3間的電阻為(R2+R3)。如果導(dǎo)線特性都相同，線阻也相同，相減后測得的電壓【V】即為鉑電阻兩端的電壓。

三線鉑式電阻適合大部分場合，但因為導(dǎo)線的線阻不可能做到完全一致，所以三線制的測量仍然會有一定的誤差。

（3）四線制測量

如果要測量完全不會受到線阻的影響，那么可以采用四線制測量。

四線式鉑電阻，電阻的兩端引線都為兩根線，兩端對向為一組線；其中一組用于電流道通，稱為電流線；另外一組為測量線，用于測量電阻阻值。四線制鉑電阻恒流法測量電路如下圖所示。

使用四線制時，一對導(dǎo)線用于輸出和收回激勵電流（導(dǎo)線1和導(dǎo)線4為電流線），另一對導(dǎo)線用于測量電勢差（導(dǎo)線2和導(dǎo)線3為測量線）。由于用于測量電勢差的導(dǎo)線上沒有電流經(jīng)過，所以不會引入導(dǎo)線上的電阻所帶來的誤差。根據(jù)歐姆定律即可精確計算阻值，也就得出準(zhǔn)確的溫度。因此四線式鉑電阻可以完全消除導(dǎo)線內(nèi)阻的影響，成本高，適用于高精度測量場合。

3.NI的熱電阻測量

對于測量兩線制RTD的板卡，將紅色RTD導(dǎo)線連接到激勵正極EX+，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上將激勵正極和通道正極之間短接。將藍色（或白色）RTD導(dǎo)線連接到勵磁負(fù)極EX-，在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上將激勵負(fù)極和通道負(fù)極之間短接。如下圖所示。

對于三線制RTD測量的板卡，將紅色RTD導(dǎo)線連接到激勵正極EX+。在數(shù)據(jù)采集設(shè)備上從激勵正極引腳到通道正極進行短接。將藍色（或白色）RTD導(dǎo)線之一連接到負(fù)激勵，另一根連接到通道負(fù)。 以NI-9217為例，板卡內(nèi)部已經(jīng)連接了激勵正極EX+與通道正極CH+，所以不需要在外部進行短接。如下圖顯示了用于測量三線制RTD的外部連接以及NI 9217 RTD模塊的引腳。

對于四線制RTD測量的板卡，只需將熱電阻正極的兩根紅色引線分別連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的激勵正和通道正。將熱電阻負(fù)極上的兩根藍色（或白色）導(dǎo)線分別連接到數(shù)據(jù)采集設(shè)備上的激勵正和負(fù)極通道。 以NI-9217為例，下圖顯示了用于測量四線制RTD的外部連接以及NI 9217 RTD模塊的引腳。

4.如何優(yōu)化RTD測量

RTD輸出信號通常在毫伏范圍內(nèi)運行，因此容易受到噪聲的影響。RTD數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通常使用低通濾波器來消除RTD測量中的高頻噪聲。低通濾波器可用于消除大多數(shù)實驗室和工廠設(shè)置中普遍存在的60 Hz電源線噪聲。還可以通過放大信號源附近的低電平電壓來顯著改善系統(tǒng)的噪聲性能。由于RTD輸出電壓電平非常低也可以優(yōu)化模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的輸入限制。

以上就是基于溫度測量原理的兩種基本電學(xué)溫度測量方式的知識分享啦。

作者：王廣雄 張詩鈺

審核編輯：湯梓紅