使用DAQ设备测量热电偶的过程

什么是热电偶？

热电偶是一种流行且廉价的温度测量方法。热电偶是一种简单的装置——两根不同金属的电线在一端焊接在一起。但这种“简单”的设备对测量系统提出了许多挑战，包括需要放大、滤波和冷端补偿（CJC）。

当成对连接时，它们是简单而高效的传感器，可输出极小的直流电压，该电压与闭合热电电路中两个结之间的温差成正比（见图1）。

图1：T型基本热电偶电路。经典的热电偶测量系统需要两个传感器：一个用于被测环境，另一个用于参考结，通常保持在0°C（32°F）。

一个结通常保持在恒定的参考温度，而另一结则浸入要测量的环境中。工作原理取决于在引线的开路端和保持在特定温度下的两种不同金属的结之间测量的热电动势（EMF）的独特值。

单独的热电偶结不会产生电压。在输出（开路）端产生的电压或电位差是结温T1和开路端温度T1‘的函数。T1’必须保持在恒定温度，例如0°C，以确保开路电压的变化与T1中的温度变化成比例。原则上，热电偶可以由任何两种不同的金属制成，例如镍和铁。然而，在实践中，只有少数热电偶类型成为标准，因为它们的温度系数具有高度可重复性、坚固耐用且输出相对较小的电压。最常见的热电偶类型称为J、K、T和E，其次是N28、N14、S、R和B。理论上，结温可以通过查阅标准表从塞贝克电压推断出来。然而，在实践中，这个电压不能直接使用，因为热电偶线连接到测量设备上的铜端子本身就构成了一个热电偶结（除非热电偶引线也是铜），并产生另一个需要补偿的热电动势。

在热电偶开路端产生的电压差在uV范围内非常小。使用具有例如0-10V范围的典型多功能DAQ设备无法准确测量此电压。这种小信号需要x100范围内的增益，这在传统的多功能DAQ设备上通常不具备。而且，由于热电偶产生的电压相对较小，因此噪声始终是一个问题。最常见的噪声源是交流电源线（50Hz或60Hz）。由于大多数温度系统的带宽低于50Hz，因此每个通道中的简单滤波器可以降低干扰交流线路噪声。常见的滤波器包括仅使用电阻器和电容器的无源滤波器，以及使用这些组件和运算放大器的有源滤波器。虽然无源RC滤波器价格低廉且适用于模拟电路，但不建议将其用于多路复用前端，因为多路复用器负载会改变滤波器特性。由一个运算放大器和一些无源元件组成的有源滤波器在多路复用系统中效果很好，但它更加昂贵和复杂。

冷端补偿

大型测试夹具中的冰浴和多参考结可能难以设置和维护，但幸运的是它们都可以消除。终端所需的EMF校正可以通过计算机软件参考和补偿到NIST标准。取消冰浴后，仍需要冷端补偿以获得准确的热电偶测量值。软件必须读取等温块温度。一种广泛使用的技术是安装在等温接线盒附近并连接到外部热电偶引线的热敏电阻。包含热敏电阻和端子的区域不允许有温度梯度。所使用的热电偶类型已针对其各自的通道进行了预编程，软件的动态输入数据包括等温块温度和测量的环境温度。该软件使用等温块温度和热电偶类型，使用多项式方程计算传感器的温度。该方法允许同时连接许多不同类型的热电偶通道，同时计算机自动处理所有转换。

开路热电偶检测

轻松快速地检测开路热电偶对于具有多通道的系统尤为重要。热电偶在受到振动、处理不当和使用时间长时往往会断裂或增加电阻。一个简单的热电偶开路检测电路由一个放置在热电偶引线上并由低电平电流驱动的小电容器组成。完整热电偶的低阻抗对电容器造成了虚拟短路，因此无法充电。当热电偶打开或显着改变电阻时，电容器充电并将输入驱动到电压轨之一，这表明热电偶有缺陷（参见图2）。

图2：打开热电偶检测器。热电偶为电容器周围的DC提供短路路径，防止其通过电阻器充电。当热电偶由于粗暴处理或振动而打开时，电容器充电并将输入放大器驱动到电源轨，从而发出故障信号。

热电偶测量设备

不是专门为热电偶测量设计的DAQ设备缺乏精确测量热电偶所需的信号调理和CJC。USB-TC等设备具有±0.080V范围、每通道24位A/D和NIST可追溯校准过程。这些设备可提供最准确的温度测量，因为内部测量电子元件的精度超过了热电偶传感器的精度规格。