实用温度测量*

           我们可以建立电压分配器而无法建立分温器，我们不 能像以增加长度来测量距离那样增加温度。我们必须依 赖通过物理现象确定的温度，这些温度易于观察且本质 不变。国际实用温标(IPTS)就是基于此类现象。1968年 修订版确定了十一项基准温度。            

           由于这些固定的温度只能用作基准，因此我们必须使 用仪器在这些温度之间插补。但在这些温度之间精确插 补可能需要一些相当特异的传感器，其中许多传感器太 过复杂或昂贵而无法在实际情况中使用。我们将只讨论 以下四种最常见的温度传感器：热电偶、电阻式温度检 测器(RTD)、热敏电阻和集成电路传感器。            

           当由不同金属组成的两根电线两端项链并且对其中一 端进行加热时，热电电路中会有连续的电流流动。托马 斯塞贝克在1821年发现了这一现象。                

           如果此电路在中央断开，则净开路电压（塞贝克电 压）是连接点温度和两种金属成分的函数。                

           所有不同的金属都展示出这种效应。两种金属的最常 见组合如该应用说明的附录B所示，并且列出了它们的 重要特性。对于小的温度变化，塞贝克电压与温度成线 性比例。                ΔeAB = αΔT 其中塞贝克系数α是比例常数。            

           测量热电偶电压–我们无法直接测量塞贝克电压，因为 我们必须首先将电压表连接到热电偶，然后电压表会自 己创建一个新的热电电路。            

           让我们将电压表跨接到铜-康铜（T型）热电偶并查看 电压输出：                

           等效电路                使用DVM测量连接点电压 图4

我们希望电压表只读V1，但我们已通过连接电压表尝 试测量连接点J₁的输出，创建了两个更具金属性的连接 点：J₂和J₃。由于J₃是铜-铜连接点，因此它不会建立热 电动势(V3   = 0)，但J₂是铜-康铜连接点，将会添加一个相 对于V1的电动势(V2)。产生的电压表读数V将与J₁和J₂间 温差成正比。这就是说，我们只有在确定J₂的温度之后 才能确定J₁处的温度。            

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           确定J₂温度的方式之一是以物理方式将连接点放入冰 槽中，强制使其温度成为0˚C并确定J₂作为参比端。由于 两个电压表端子连接点现在为铜-铜，因此不会产生热电 动势并且电压表上的读数V与J₁和J₂间的温差成正比。            

           现在，电压表读数为（见图5）：                V = (V₁- V₂) ≅ α(t_J1 t_J2)                

如果我们以摄氏度指定TJ₁，则：                T_J1 (˚C) + 273.15 = t_J1

则V变为：                V = V₁- V₂   = α [(T_J1     + 273.15) - (T_J2   + 273.15)]                    = (T_J1 - T_J2) = (T_J1 - 0)                    V = T_J1

我们使用这一延伸的推导重点强调冰槽连接点的输出 V2并非零伏。它是绝对温度的函数。            

           通过添加冰点参比端的电压，我们现在将读数V参照 0˚C。由于冰点温度可以精确控制，因此该方法非常精 确。（美国）国家标准局(NBS)使用冰点作为其热电偶 表的基本基准点，因此我们现在可以查看NBS表并直接 从电压V转换为温度TJ₁。                

           图5所示的铜-康铜热电偶是一个独特的示例，因为 铜线和电压表端子使用的是相同的金属。让我们使用 铁-康铜（J型）热电偶取代铜-康铜热电偶。铁线（图6） 增加了电路中不同金属连接点的数量，因为两个电压表 端子都变成了Cu-Fe热电偶连接点。

           如果两个前面板端子温度不同，将会出现错误。要进 行更精确的测量，应延长电压表铜导线以便铜-铁连接点 位于等温（相同温度）块上：偶连接点。

           等温块是电绝缘体，但确实是良好的热导体，它用于 使J₃和J4保持相同的温度。绝对块温度并不重要，因为 两个Cu-Fe连接点的作用是相反的。我们仍得到如下结果                V = α (T₁- T_REF)                

           让我们将冰槽替换成其他等温块

           新块处于基准温度T_REF，并且由于J₃和J4仍处于相同温 度，我们可以再次显示                V = α (T1-T_REF)                

这仍然是一个非常不方便的电路，因为我们必须连接 两个热电偶。让我们将Cu-Fe连接点(J4)和Fe-C连接点(JREF)合并，消除负极(LO)导线中多余的Fe线。            

           我们可以通过首次连接两个恒温快（图9b）来实现这 项操作。                

           我们没有更改输出电压V。它仍然是                V = α (TJ₁ - TJREF )                

现在，我们将调用中间金属定律（请参阅附录A）来 消除额外的连接点。这一经验“定律”表明，在热电偶 连接点的两种不同金属之间插入第三种金属将不会影响 输出电压，只要附加的金属形成的两个连接点处于相同 的温度：                

           因此，图9B中的低电平导线：变为：                

           这是一个非常有用的结论，因为它完全消除了LO导线 中对铁线(Fe)的需要：                同样，V = α (TJ₁ - T_REF)，其中α是Fe-                

C热电偶的塞贝 克系数。

连接点J₃和J4代替冰槽。这两个连接点现在成为 参比端。

           现在，我们可以继续下一逻辑步骤：直接测量等温块（参比端）的温度并使用该信息计算未知温度TJ₁

热敏电阻（其电阻RT是温度的函数）为我们提供了测 量参比端绝对温度的一种方式。由于等温块的设计，连 接点J₃和J4以及热敏电阻全部假设为相同温度。通过计 算机控制的数字万用表，我们只需：            

1. 测量RT以确定T_REF，然后将T_REF转换为其等效 参比端电压V_REF

2. 测量V后加上V_REF得出V₁，然后将V₁转换为温 度T_J1。

           此过程称为软件补偿，因为它依靠计算机软件来补偿 参比端的影响。该等温接线盒温度传感器可以是具有与 绝对温度成正比特性的任何设备：RTD、热敏电阻或集 成电路传感器。            

           询问以下问题似乎符合逻辑：如果我们已经拥有测量 绝对温度的设备（如RTD或热敏电阻），为什么我们要 自寻麻烦而使用需要参比端的热电偶？此问题最重要的 唯一答案是热敏电阻、RTD和集成电路传感器仅在特定 的温度范围内有用。另一方面来说，热电偶可用于广泛 的温度范围，并且已针对各种大气环境进行了优化。它 们比热敏电阻耐用得多，事实证明，热电偶通常焊接到 金属部件或用螺钉夹紧。它们可以通过钎焊或焊接现场 制造。简言之，热电偶是现有的使用最广泛的温度传感 器，由于测量系统执行参比端补偿和软件电压到温度转 换的整个任务，因此使用热电偶变得与连接一对电线一 样容易。            

           当我们需要监测大量数据点时，热电偶测量变得尤其 方便。这通过对多个热电偶元件使用等温参比端来实现（见图13）。            

           舌簧继电器扫描器可将电压表按顺序连接到各种热电 偶。无论选择何种类型的热电偶类型，所有电压表和扫 描器导线都是铜的。事实上，只要知道每个热电偶是什 么，我们就可以在同一等温接线盒（通常称为温区框） 中混合使用各种类型的热电偶，并在软件中进行相应的 修改。接线盒温度传感器RT位于盒中心，从而将由于热 梯度导致的误差减至最低。            

           软件补偿是用于测量热电偶使用最广泛的技术。许多 热电偶都在相同的块上连接，铜导线在整个扫描器内使 用，并且该技术与所选的热电偶类型无关。此外，当数 据采集系统与内置的温区框配合使用时，我们只需如同 连接一对测试引线一样连接热电偶即可。所有转换都通 过计算机执行。此技术的一个缺点是计算机需要少量额 外的时间来计算参比端温度。为获得最大速度，我们可 以使用硬件补偿。                

       与软件补偿的测量参比端温度和计算其等效电压不同 的是，我们可以插入一块电池抵消参比端偏移电压。此 硬件补偿电压和参比端电压的组合等于0˚C连接点的 电压。        

       补偿电压e 是温度传感电阻RT的函数。电压V现在参照 0˚C，可直接读取，并可以使用NBS表转换成温度。        

       此电路的另一个名称是电子冰点基准。6  这些电路可 与任何电压表以及各种热电偶配合使用。此技术的主要 缺点是每种单独的热电偶类型通常需要唯一的冰点基准 电路。        

       图15显示了可与舌簧继电器扫描器配合使用以补偿整 块热电偶输入的实际冰点基准电路。块中的所有热电偶 必须为相同类型，但每块的输入可适配不同的热电偶类 型，只需更改增益电阻即可。        

       硬件补偿电路或电子冰点基准的优点是无需计算基准温 度。这为我们节省了两个计算步骤并使硬件补偿温度测 量比软件补偿测量更快一些。        

       我们已使用硬件和软件补偿来合成冰点基准。现在，我们只需读取数字电压表并将电压读数转换成温度即 可。遗憾的是，热电偶的温度与电压关系不是线性的。 更常见的热电偶输出电压被绘制为图16中温度的函数。 如果绘制的曲线斜率（塞贝克系数）与温度如图17中 所示，则很明显热电偶是非线性设备。        

图17中的水平线将表示常数α，换句话说，即线性设

       备。我们注意到，K型热电偶的斜率在从0˚C到1000˚C 的温度范围内接近常数。因此，K型可与倍增电压表和 外部冰点基准配合使用以获得适当精度的直接温度读 数。即温度显示仅涉及一个标度因子。 此过程与电压表配合使用。        

       通过检查塞贝克系数的变化，我们可以很容易地看 到，使用一个恒定的标度因子将限制系统的温度范围并 限制系统精度。通过读取电压表并查阅本手册第172页 上的（美国）国家标准局热电偶表4可以得到更好的转换 精度-见表3。            T = a₀ +a₁ x + a₂x² + a₃x³ . . . +a_nxⁿ

其中 T = 温度 x = 热电偶电动势（以伏特为单位） a = 每个热电偶唯一的多项式系数 n = 多项式的最大阶数        

随着n的增加，多项式的精度也会提高。代表性数字为 可实现± 1˚C精度的n = 9。可在较窄的温度范围内使用 较低阶数的多项式以获得更高的系统速度。

表4是用于将电压转换成温度的多项式示例。数据可打 包供数据采集系统利用。计算机不会直接计算指数，而 是编程为使用嵌套的多项式形式以节省执行时间。快速 拟合的多项式在表4中所示的温度范围以外会降级，因此 不应在这些限制范围之外推算。        

高项式的计算对计算机来说是一项费时的任务。正 如我们之前提到的，我们可以为较小的温度范围使用低 次多项式来节省时间。在用于一个数据采集系统的软件 中，热电偶特性曲线分为八个区域，每个区域通过三次 多项式做近似处理。*        

所有上述过程都假设热电偶电压可以精确轻松地进行测 量；但快速浏览表3可以看到，热电偶输出电压实际上 非常小。检查系统电压表的要求：        

即使对于常见的K型热电偶，电压表也必须能够分辨 4 μV才能检测到0. 1˚C的变化。此信号的量值是噪声潜 入任何系统的开放入口。因此，仪器设计人员可利用多 项基本的噪声抑制技术，包括树形开关、常模过滤、积 分和保护。        

树形开关-树形开关是一种将扫描器通道分组整理的方 法，每组具有其自己的主开关。

如果没有树形开关，每个通道可以直接通过其杂散电 容发出噪声。通过树形开关，成组的并行通道电容在一 个树形开关电容中串联。由于降低了通道间电容，结果 大大减少了大型数据采集系统中的串扰。

模拟滤波器-可在电压表输入端直接使用滤波器以减少 噪声。这将显著减少干扰，但会导致电压表对阶跃输入 的响应更加缓慢。

积分-积分是一项模数转换技术，从根本上均化整个线 路周期的噪声；因此供电线路相关的噪声及其谐波几乎 可以消除。如果选择的积分时间段小于积分线路周期， 则其噪声抑制属性会从根本上失效。

由于热电偶电路覆盖的长距离特别容易产生供电线路 相关的噪声，因此建议使用积分模拟到数字转换器来测 量热电偶电压。根据允许整个周期积分读取速率为每秒48个样品的最近创新，积分是一项特别有吸引力的模数 转换技术。

保护-保护是用于从高低测量导线常见的任何噪声源M

（即从共模噪声源）减少干扰的一项技术。

我们假设热电偶线穿过的线管与220 Vac电源线相同。 电源线和热电偶线之间的电容将产生约等于两根热电偶 线上量值的交流信息。此共模信号在理想电路中不成问 题，但电压表并非理想电路。电压表的低端子和安全接 地（壳体）之间有一些电容。电流会流经此电容并流经 热电偶导线电阻，从而产生常模噪声信号。保护装置（ 物理上是包围整个电压表电路的浮动金属盒）将连接到 包裹热电偶线的屏蔽装置，并用于分流干扰电流。