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如何測量熱電偶

   2012年02月28日 14:41  
  溫度和熱電偶概述
  
  溫度是對物體樣本中粒子平均動能的測量方式,其標(biāo)準(zhǔn)單位是“度”。溫度可以通過不同方法進(jìn)行測量,測量的成本和度也因此各不相同。熱電偶就是其中一種常見的測量溫度的傳感器,因?yàn)闊犭娕枷鄬Χ詢r(jià)格便宜而且度高,并且其測量范圍相對較寬。
  
  觀看60秒視頻,來學(xué)習(xí)熱電偶測量
  
  每當(dāng)兩個(gè)不同的金屬接觸,接觸點(diǎn)聚會產(chǎn)生一個(gè)以溫度為函數(shù)的較低的空載電壓,這就是熱電效應(yīng)。這個(gè)溫差電壓就是Seebeck電壓,以1821年發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象的物理學(xué)家ThomasSeebeck命名。該電壓相對于溫度是非線性的,但是對于小范圍內(nèi)的變化溫度可以近似的認(rèn)為是線性的,或者:
  
  (1)
  
  式中,?V是電壓變化,S是Seebeck系數(shù),而?T是溫度變化。
  
  熱電偶的類型有很多種,并且都根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(ANSI)公約規(guī)定,由大些字母注明其成分。例如,J型熱電偶由一個(gè)鐵制導(dǎo)體和一個(gè)銅鎳合金導(dǎo)體構(gòu)成。熱電偶的其他類型包括B,E,K,N,R,S,和T。
  
  如何測量熱電偶
  
  背景知識
  
  為了更好地理解如何進(jìn)行熱電偶測量,必須先了解熱電偶工作原理。本文檔的*部分將解釋熱電偶的基本原理,以后部分將陸續(xù)講解如何實(shí)現(xiàn)熱電偶同儀器之間的連接以及如何進(jìn)行溫度測量。
  
  熱電偶Seebeck電壓如果直接連到測量系統(tǒng)上連接到測量系統(tǒng)上會產(chǎn)生附加溫差電路,因此不能通過簡單地同電壓表或者其他測量系統(tǒng)連接而進(jìn)行測量。
  
  圖1.J型熱電偶
  
  如圖1所示,電路中使用J型熱電偶對燭火溫度進(jìn)行測量。兩個(gè)熱電偶線路同數(shù)據(jù)采集設(shè)備的銅質(zhì)接線端子連接。注意該電路中有三個(gè)金屬連接口——J1,J2和J3。J1是熱電偶測量點(diǎn),產(chǎn)生一個(gè)同燭火溫度成比例的Seebeck電壓。除此之外J2和J3每個(gè)都有各自的Seebeck系數(shù),并在數(shù)據(jù)采集終端都會產(chǎn)生一個(gè)同溫度成比例的溫差電壓,稱為冷端電壓。為了確定J1的電壓分量,就需要知道J2和J3接點(diǎn)的溫度,并且知道接點(diǎn)電壓和溫度之間的關(guān)系。這樣,就可以通過從測量電壓中減去J2和J3寄生結(jié)電壓分量而得到J1接點(diǎn)的電壓。
  
  熱電偶需要一個(gè)特定的溫度基準(zhǔn)來補(bǔ)償該冷端產(chǎn)生的誤差。zui常用規(guī)定方法就是使用可直接讀取的溫度傳感器測量得到參考端溫度,減去寄生端電壓分量。這個(gè)處理方法被稱為冷端補(bǔ)償,可以利用某些熱電偶的特性來簡化計(jì)算冷端補(bǔ)償。
  
  通過使用金屬過渡層的熱電偶定律以及其他假設(shè)條件,我們可知電壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的測量只取決于熱電偶類型,測量端電壓和冷端溫度。測量電壓同測量導(dǎo)線和冷端J2、J3的電壓分量無關(guān)。
  
  圖2.金屬過渡層熱電偶定律
  
  考慮圖3中電路。該電路同前文圖1中所描述的電路相似,但是在J3接點(diǎn)前插入了一小段銅鎳合金導(dǎo)線。所有接點(diǎn)處于同樣的溫度條件下。假定J3和J4接點(diǎn)溫度相同,金屬過渡層熱電偶定律說明圖3中的電路同圖1中的電路在電氣理論上是相同的。所以,圖3電路所測得的任何結(jié)果都適用于圖1所示電路。
  
  圖3.在等溫環(huán)境中插入一個(gè)附加導(dǎo)線
  
  圖3中,J2和J4接點(diǎn)屬于同一類型(銅鎳合金);因?yàn)閮烧咛幱诘葴丨h(huán)境,J2和J4也是同樣的溫度。因?yàn)殡娐分须娏鞣较蚓壒剩琂4端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck正電壓,J2端產(chǎn)生一個(gè)Seebeck負(fù)電壓。因此,接點(diǎn)抵消了相互之間的影響,測量電壓的總量就為零。J1和J3接點(diǎn)都是鐵—銅鎳合金接點(diǎn)。但是他們的溫度可能不同,因?yàn)樗麄兛赡懿皇窃诘葴丨h(huán)境中。因?yàn)樗麄兲幱诓煌瑴囟拳h(huán)境下,J1和J3接點(diǎn)都可以產(chǎn)生Seebeck電壓,但是大小不同。為了補(bǔ)償冷端J3,測量其溫度并將其作用電壓從熱電偶測量中減去。
  
  使用VJx(Ty)符號表示Jx接點(diǎn)在Ty溫度時(shí)所產(chǎn)生的電壓,一般熱電偶問題簡化成下式:
  
  VMEAS=VJ1(TTC)+VJ3(Tref)(2)
  
  式中,VMEAS表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量得到的電壓值,TTC表示J1接點(diǎn)熱電偶的溫度,Tref表示基準(zhǔn)端的溫度。
  
  注意到在(2)式中,VJx(Ty)表示的是就某個(gè)基準(zhǔn)溫度而言在Ty溫度環(huán)境下所產(chǎn)生的電壓。只要VJ1和VJ3是與同一個(gè)基準(zhǔn)溫度相關(guān)的溫度函數(shù),2式就成立。例如,如前文所述的NIST熱電偶參照表就是將基準(zhǔn)端保持在0攝氏度情況下生成的。
  
  因?yàn)镴3和J1是同類型的,但是產(chǎn)生相對電壓,所以VJ3(Tref)=-VJ1(Tref)。又因?yàn)閂J1是熱電偶類型測試狀態(tài)下產(chǎn)生的電壓,所以該電壓可以重命名為VTC。因此,2式可以改寫成下式:
  
  VMEAS=VTC(TTC)-VTC(Tref)(3)
  
  因此,通過測量VMEAS和Tref知道了熱電偶電壓同溫度的關(guān)系,就能夠確定熱電偶測量端的溫度。
  
  現(xiàn)有兩種實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)——硬件補(bǔ)償和軟件補(bǔ)償。兩種技術(shù)都需要使用可直接讀取傳感器得到基準(zhǔn)端溫度。可直接讀取傳感器有一個(gè)只由測量點(diǎn)溫度決定的輸入端。半導(dǎo)體傳感器,電熱調(diào)節(jié)器和RTD都是常用的測量基準(zhǔn)端溫度的儀器。
  
  使用硬件補(bǔ)償,可以將一個(gè)可變電壓源插入到電路中,撤銷寄生溫差電壓。可變電壓源根據(jù)環(huán)境溫度產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償電壓,這樣附加到修正電壓上用來撤銷不需要的溫差信號。當(dāng)這些寄生信號都被去除了,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量的*信號就是從熱電偶測量端測得的電壓。使用硬件補(bǔ)償?shù)那闆r下,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端的溫度是不相關(guān)的,因?yàn)槠渲械募纳詿犭娕茧妷阂呀?jīng)被取消了。硬件補(bǔ)償?shù)闹饕蛔阒幵谟冢糠N熱電偶必須擁有一個(gè)分開的能夠附加修正補(bǔ)償電壓的補(bǔ)償電路,這樣就會大大增加電路的成本。通常情況下,硬件補(bǔ)償在精度上也不及軟件補(bǔ)償。
  
  或者您可以選擇使用軟件來進(jìn)行冷端補(bǔ)償。在使用可直接讀取傳感器測量得到基準(zhǔn)端溫度后,軟件能夠在被測電壓上附加一個(gè)適合的電壓值來消除冷端電壓的影響。回憶(3)式中指明被測電壓VMEAS等于(熱電偶)測量端接點(diǎn)和冷端接點(diǎn)之間的電壓差值。
  
  熱電偶輸出電壓是高度非線性的。Seebeck系數(shù)會因?yàn)橐恍犭娕嫉倪\(yùn)行溫度區(qū)域中三個(gè)或以上的因素而有所變化。因此,您必須使用多項(xiàng)式來模擬熱電偶中電壓VS溫度曲線或者使用查表法。
  
  連接熱電偶到儀器上
  
  此部分以使用NIcDAQ-9172底板和NI9211C系列熱電偶模塊為例。相似的程序適用于連接熱電偶到不同儀器上(見圖4)。
  
  所需設(shè)備:
  
  用于NICompactDAQ的DAQ-9172八插槽高速USB底板
  
  NI9211四通道,14Sa/s,24-位,?80毫伏熱電偶輸入模塊
  
  J型熱電偶
  
  圖4.NICompactDAQ系統(tǒng)
  
  NI9211擁有一個(gè)10接線點(diǎn)、可分離螺旋式接線柱連接器,提供能支持4個(gè)熱電偶輸入通道的連接。每個(gè)通道都分別有連接熱電偶正極的接線點(diǎn),TC+,以及連接到負(fù)極的接線點(diǎn),TC-。NI9211也有一個(gè)通用接線點(diǎn),COM。通常此端口內(nèi)部連接到模塊的參考地。圖5所示為每個(gè)通道的接線分配,圖6為連線示意圖。
  
  圖5.終端分配
  
  圖6.連接示意圖
  
  查看您的測量結(jié)果:NILabVIEW
  
  現(xiàn)在熱電偶已經(jīng)連接到測試設(shè)備上,您就能夠使用LabVIEW圖形化編程軟件將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行可視化處理和分析了。
  
  圖7表明在LabVIEW編程環(huán)境下顯示被測溫度數(shù)據(jù)的一個(gè)例子。
  
  [+]放大圖片
  
  圖7.顯示溫度數(shù)據(jù)的LabVIEW前面板

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