温度测量的两种方式对比 热电偶温度测量与热电阻温度测量

关于温度测量的方式，大家知道几种呢？

是利用液体的体积变化来指示温度的玻璃液体温度计，还是把两种线膨胀系数不同的金属组合在一起的双金属温度计呢？在测试测量领域，运用最多的肯定是电学测温法：热电偶温度测量及热电阻温度测量。

接下来我们从这两种温度测温法的基础知识入手，了解温度测量的原理并学习在测试测量领域是如何运用不同方法进行温度的测量的。

本文分享：

温度测量的两种方式

一、 不同温度测量方式的对比

NI官网推荐的三种温度测量传感器分别为热电偶、RTD和热敏电阻，其优缺点如下图所示。

热电偶便宜，而且有很快的响应时间，但是它精度不高而且最不稳定，最不灵敏。热电偶仅仅是读取头和线之间的温度差异，而RTD和热敏电阻是读取绝对温度值。  RTD是可靠性的最佳选择，而且最为稳定，精度最高。但是它的响应时间太长而且因为它需要一个电流源，因此它有自热产生。  热敏电阻输出很快而且相对便宜，但是它易碎而且温度范围有限。它同样需要一个电流源而且比RTD的自热现象更为严重，同时它是非线性的。 不同的温度测量对象需要选择合适的温度传感器，接下来我们来了解一下热电偶和热电阻的基本原理以及NI是如何使用它们来采集温度数据的。    

二、 热电偶温度测量

1. 热电偶传感器的基本原理

热电偶测温的基本原理是：两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。

两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系, 制成热电偶分度表; 分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

在热电偶回路中接入第三种金属材料时, 只要该材料两个接点的温度相同, 热电偶所产生的热电势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中的影响。因此, 在热电偶测温时, 可接入测量仪表, 测得热电动势后, 即可知道被测介质的温度。

两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势（热电动势）。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端(也称为测量端)，另一端叫做冷端(也称为补偿端);冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。  

热电偶的测量中，补偿导线是非常重要的。

如上图所示：T测量端就是我们常说的工作端或者热端，假设T两端的金属材料为A和B，在1~100°C之间,A′与 A A, B′与B 热点特性相同或相近,那么当两个接头点Tn温度相同时，就可以把A′和B′当作A和B的延长线使用，这就是我们常说的补偿导线。

补偿导线可以大大节约成本，因为热电偶两极的金属材料一般都是比较名贵的贵金属材料。

理论上，热电偶是冷端以0℃为标准进行测量的。然而，通常测量时仪表是处于室温之下的，但由于冷端不为0℃，造成了热电势差减小，使测量不准，出现误差。因此为减少误差所做的补偿措施就是冷端温度补偿。

接下来我们来介绍几种常见的冷端补偿方法。

2.热电偶的冷端补偿

（1）什么是冷端补偿？

采用热电偶测量温度的一个基本要求是一个端点的温度值必须知道。若该端的温度能保持为0℃，那么，根据测得的热电势，可以直接通过查分度表得到另一端点的温度值。这个温度固定端常称为参比端。

（2）常见的冷端补偿方法

冰点槽法：冰点槽法就是把热电偶的冷端放入冰水混合物容器里，使T0=0℃。这种办法仅限于在科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路，必须把连接点分别置于两个玻璃试管里，浸入同一冰点槽，使相互绝缘。把参比端温度恒定在0度，做起来成本高难度大。

计算修正法：计算修正法就是用普通室温计算出冷端实际温度TH，应该注意的是由于热电偶温度电势曲线的非线性，上面所说的相加是热电势的相加，而不是简单的温度相加。

利用公式计算：EAB（T,T0）=EAB（T,TH）+EAB（TH,T0）

补正系数法：把冷端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB（T,TH）查分度表所得的温度上，成为被测温度T。用公式表达即：T= T′+ k×TH。式中：T—为未知的被测温度； T′—为参考端在室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度；TH—室温； k—为补正系数。

零点迁移法：在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB（TH,0）是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。应用于冷端不是0℃，但十分稳定（如恒温车间或有空调的场所）。

补偿器法：利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。

软件处理法：对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。

（3）计算修正法示例

补充一下计算修正法的使用示例。

热电偶的分度表都是冷端置在冰水混合物（0℃）中时得到的，而我们平常测试，冷端都是在室温条件下；所以在室温条件下测试时，测试得到的热电动势不能直接带入分度表去计算，要加入冷端补偿，把室温到0℃这点误差补偿掉。下面有个计算修正的例题：

例：用铜-康铜热电偶测某一温度T，冷端在室温环境TH中，测得热电动势EAB（T,TH）=1.999mV，又用室温计测出TH=21℃,查此种热电偶的分度表可知，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，与2.831mV对应的热端温度T=68℃。

注意：既不能只按1.999mV查表，认为T=49℃，也不能把49℃加上21℃，认为T=70℃。

3. NI的热电偶测量

了解了热电偶温度测量的基本原理和几个冷端补偿方法后，我们来一起了解一下在测试测量领域，NI是如何进行热线偶测量的？

注意：①可以参考LabVIEW范例>>热电偶-连续输入

②在LabVIEW中可以设置“CJC源”，这个就是用于冷端补偿的部分。选择不同的CJC源就可以实现用不同的方式去做冷端补偿。

③NI采集温度的板卡（如PXI-4353）本质上还是一张能采毫伏级电压的AI采集卡，板卡上只做了信号的调理（对不同热电偶类型采用不同的调理电路）和放大，驱动中做了电压换算成温度的部分（NI用的是一个五阶公式拟合，和标准温度校准仪器相比可能没有人家那么精确）。

在热电偶测量任务设置时，有三种不同的CJC源可以选择，那么这三种模式分别代表着什么呢，其优缺点又是什么呢？

（1） CJC源选择“内置”

当前设置板卡会根据内置的一个冷端源（通常是在接线盒TB-4353中的热敏电阻）进行热电偶的冷端补偿。

优点：无需额外配置和计算

缺点：有时候热电偶的冷端（真正的冷端）和接线盒中的内置冷端补偿部分自己采集到的温度不同，可能会有误差

（2）CJC源选择“常量值”

当前设置需要测量当前环境温度（真正的冷端处的温度）的值，然后输入到CJC值中，板卡内部会自动根据输入的值进行冷端补偿算法，这样子算出来会比较准确，具体算法就像上面2-3的例题。

优点：冷端温度自己测量比较准确，板卡最终测出来的结果也会误差较小

缺点：需要自行额外测量热电偶冷端的温度

（3）CJC源选择“通道”

当前设置需要将板卡的一路通道作为冷端源去使用，最好将这路通道置在冰水混合物中，模拟建立分度表时的标准环境，这样板卡测出来的温度值就是热电偶输出的温度。

选择这种模式首先需要使用一路通道建立一个MAX温度采集任务，然后用这个任务去采集冷端温度。

优点：这样测得的数据是最准确的

缺点：需要额外占用一路通道去当作采集冷端的温度

4.如何使温度梯度最小化

为了获得最佳的CJC精度性能，请确保端子排附近的环境温度和温度梯度的变化保持在最小。

使用最小规格的导线可以使得接点之间传输较少的电流。测量时，保证连接热电偶的导线线都靠近端子座，以保持在相同的温度。将导线远离热或冷的物体。使用与热电偶导线材质相同的延长导线等方法都可使温度梯度最小化，采集得到较为精确的温度。

三、 热电阻温度测量

1.热电阻温度测量的原理

热电阻传感器又称RTD，热电阻的测温原理与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

RTD根据纯金属电阻变化原理工作，其特征是电阻随温度呈正线性变化。它由塑料薄膜上的铂金薄膜组成。它的电阻随温度变化，通常可以测量高达850°C的温度。使电流流过RTD会在RTD两端产生电压。通过测量该电压，可以确定其电阻，从而确定其温度。电阻和温度之间的相对线性关系。其物理结构如下图所示。

以铂热电阻为例，根据其电阻值的不同，又可分为Pt50、Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。名称中的数值表示热电阻在0℃下的电阻值。Pt100就表示为是在0°C时典型电阻为100Ω的设备。下图为铂电阻Pt100的温度变化曲线。

2.RTD的测量

RTD是一种无源测量设备；因此必须为其提供激励电流，然后读取其端子上的电压，这样可以将电压转换为温度。为了避免由流过RTD的电流引起的自发热，请尽可能减小该励磁电流。

根据RTD热电阻的引出线的数量的不同，RTD可分为两线制、三线制和四线制。

（1）两线制测量

两线制RTD的引线是直接在电阻的两端引出两条导线到测温模块上。测温模块采用电桥平衡的原理，RTD作为电桥的一个臂进行测量。

两线制测量的铂电阻两端各接一个引出导线，两段导线的线阻与RTD的阻值叠加，使得测量误差较大。阻值为RTD+RL1+RL2。下图为两线制铂电阻恒流法测量电路。

两线式铂电阻适合测温精度要求不高、导线长度较短的场合。

（2）三线制测量

为了消除两线制线阻导致的误差，许多RTD采用三线制形式。三线制是在两线制的基础上，从电阻的一端引出第三条线，如下图所示。

三线制的铂电阻，一端引线为两根线，另一端引线为一根。在制作工艺上，三根导线材料成分、横截面积、长度等参数保持一致，这样测量时可以消除导线内阻引入的误差。三线制铂电阻恒流法测量电路如下图所示。

如上图所示。线制铂电阻的导线1和导线2给予一相同的恒定电流源，测得导线1和导线2间的电阻值为(R1+R2+RE)。导线2和导线3间的电阻为(R2+R3)。如果导线特性都相同，线阻也相同，相减后测得的电压【V】即为铂电阻两端的电压。

三线铂式电阻适合大部分场合，但因为导线的线阻不可能做到完全一致，所以三线制的测量仍然会有一定的误差。

（3）四线制测量

如果要测量完全不会受到线阻的影响，那么可以采用四线制测量。

四线式铂电阻，电阻的两端引线都为两根线，两端对向为一组线；其中一组用于电流道通，称为电流线；另外一组为测量线，用于测量电阻阻值。四线制铂电阻恒流法测量电路如下图所示。

使用四线制时，一对导线用于输出和收回激励电流（导线1和导线4为电流线），另一对导线用于测量电势差（导线2和导线3为测量线）。由于用于测量电势差的导线上没有电流经过，所以不会引入导线上的电阻所带来的误差。根据欧姆定律即可精确计算阻值，也就得出准确的温度。因此四线式铂电阻可以完全消除导线内阻的影响，成本高，适用于高精度测量场合。

3.NI的热电阻测量

对于测量两线制RTD的板卡，将红色RTD导线连接到激励正极EX+，在数据采集设备上将激励正极和通道正极之间短接。将蓝色（或白色）RTD导线连接到励磁负极EX-，在数据采集设备上将激励负极和通道负极之间短接。如下图所示。

对于三线制RTD测量的板卡，将红色RTD导线连接到激励正极EX+。在数据采集设备上从激励正极引脚到通道正极进行短接。将蓝色（或白色）RTD导线之一连接到负激励，另一根连接到通道负。 以NI-9217为例，板卡内部已经连接了激励正极EX+与通道正极CH+，所以不需要在外部进行短接。如下图显示了用于测量三线制RTD的外部连接以及NI 9217 RTD模块的引脚。

对于四线制RTD测量的板卡，只需将热电阻正极的两根红色引线分别连接到数据采集设备上的激励正和通道正。将热电阻负极上的两根蓝色（或白色）导线分别连接到数据采集设备上的激励正和负极通道。 以NI-9217为例，下图显示了用于测量四线制RTD的外部连接以及NI 9217 RTD模块的引脚。

4.如何优化RTD测量

RTD输出信号通常在毫伏范围内运行，因此容易受到噪声的影响。RTD数据采集系统中通常使用低通滤波器来消除RTD测量中的高频噪声。低通滤波器可用于消除大多数实验室和工厂设置中普遍存在的60 Hz电源线噪声。还可以通过放大信号源附近的低电平电压来显着改善系统的噪声性能。由于RTD输出电压电平非常低也可以优化模数转换器（ADC）的输入限制。    

以上就是基于温度测量原理的两种基本电学温度测量方式的知识分享啦。

作者：王广雄 张诗钰

审核编辑：汤梓红