热电偶的信号调理

温度是最常测的物理量，热电偶可以完成大部分测量。但是，直接插入热电偶，就能得出精确的读数吗？本文给出需要注意的方面，以及怎样解决。

在所有温度测量设备中，热电偶（ TC ）可能是使用最广泛，而最不被注意的器件。成对连接时， TC 是一种简单高效的传感器，在闭环温差电流电路中，输出与两个结之间温差成正比、非常小的直流电压（参见图 1 ）。

一个结一般保持在恒定的参考温度上，而另一个结处于需要测量的温度环境中。其工作原理是 Seebeck 效应——导线开路端和特定温度中两种不同金属结之间的热电势（ EMF ）值来确定温度。传感器开路端的电压值以及器件温度范围由 Seebeck 系数确定，而 Seebeck 系数取决于构成热电偶导线的材料化学成分。 Seebeck 电压由下式计算：

其中：	eAB	=	Seebeck 电压
	eAB	=	Seebeck 电压微扰
	T	=	热电偶结的温度微扰
		=	Seebeck 系数

热电偶结本身并不产生电压。电压或者输出（开路）端的电势差是结 T1 温度和开路端 T1' 温度的函数。 T1' 必须保持恒温，例如 0ºC ，以确保开路端电压变化与 T1 温度变化成正比。从原理上讲，可以采用镍和铁等两种不同的金属来制成 TC 。但是在实际中，只有少数几种 TC 类型成为标准，因为它们的温度系数可重复性高，表面粗糙，输出电压相对较大。常用的热电偶类型是 J 、 K 、 T 和 E ，然后是 N28 、 N14 、 S 、 R 和 B （参见图 2 ）。理论上，可以查找标准表的 Seebeck 电压 得出结温。实践中，不能直接使用该电压，因为测量设备本身的铜终端热电偶导线连接也含有热电偶结（除非 TC 引线也是铜），输出另一个 EMF ——它必须被补偿掉。

冷结补偿（ CJC ）
在仪器终端补偿 EMF 的常用方法是将冷参考结热电偶浸入冰水池中，与测量热电偶相串联（参见图 3 ）。在该例中，铜引线连接至仪器的输入端。一种替代方法是使用一个热电偶，其铜 - 康铜连接浸入到参考冰水中，如图 3 所示。

冰水中的康铜 - 铜热电偶结 J2 输出较小的 EMF ，抵消了热电偶 J1 的 EMF ，因此，在仪器或者 DA 系统输入端测量的电压与 NIST 表精确对应。同样的，也不需要补偿连接至仪器等温模块铜终端的铜线，因为二者都是铜，温度相同。电压读数全部来自 NIST 校准过的康铜 - 铜热电偶导线。

但是，上面的例子比较特殊，因为 T 型热电偶的一条引线是铜。对康铜 - 铁热电偶的情况需要进一步考虑（参见图 4 ）。冰水中的 J2 保持恒温， J1 测量环境温度。尽管 J3 和 J4 是实际的热电偶结，它们在等温模块中处于相同的温度，因此，产生相等的反相电压，彼此抵消。净电压是热电偶 J1 输出的 T1 ，与 NIST 标准表进行了校准。如果 I/O 模块不是等温的，需要在输入端和铜 - 铁引线间加入铜引线，铜 - 铁结（ J3 和 J4 ）也应保持在冰水中（参见图 5 ）。

软件补偿。 冰水和多个参考结导致测试设备庞大，设置和维护繁琐。不过，这都可以采取措施避免。当引线和参考结点（仪表中的等温模块）的温度相等时，可以不采用冰水。通过计算机软件，可以参考终端的 EMF 校正，补偿 NIST 标准。

去掉冰水后，还需要采用 CJC 才能实现精确的热电偶测量。由软件读取等温模块温度。一种常用的方案是将一个热敏电阻靠近等温终端模块安装，而该模块连接至外部热电偶引线。

在含有热敏电阻和终端的区域中，不能出现温度梯度（参见图 6 ）。对不同的通道，预先设置热电偶类型，软件的动态输入数据包括等温模块温度和所测环境温度。软件利用等温模块温度和热电偶类型从表中查找电压所对应的测量温度，或者由多项式更迅速的计算出温度。这种方法支持各种类型热电偶构成多个通道同时进行温度测量，由计算机自动处理所有的转换。

硬件补偿。 多项式近似的方法比查找表要快，而硬件方法更快，因为可以立即扫描得出正确的电压。一种方法是在电路中增加电池，抵消参考结的失调电压，总效果等于一个 0ºC 结。利用这种原理，更实际的方法是“电冰点参考法”，由电池或者相似的电压源供电的温度传感电路产生一个补偿电压输出（参见图 7A ）。该电压对应于一个 0ºC 等效参考结。

图 7. 也可以采用多种电路或者模块来替代冰水池。温度敏感电阻根据所需的温度补偿值（ A ），按比例修改校正电压值。一个典型的输入扫描模块可以容纳 56 个任意类型的热电偶，最多可以将 896 个通道连接至一个 A/D 主机（ B ）。

混合类型
热电偶测试系统通常能够同时测量数十到数百个点。为了方便处理如此多的通道，不用分别对每个通道进行 TC 补偿，采用了热电偶扫描模块，它具有多个输入通道，任何通道都能够同时使用多种类型的热电偶。这种模块含有特殊的铜输入终端模块，带有大量的 CJC 传感器，不论传感器是何种类型，都能实现精确的读取。而且，模块含有一个内置自动调零通道和 CJC 通道。尽管与其他类型的扫描模块相比，其测量速率相对要慢一些，但是读数精度高、噪声低、稳定，采集时间只有几个毫秒。例如，可以在 3ms 内测量一个 TC 通道， 16ms 内测量 14 个 TC 通道， 61ms 内测量 56 个 TC 通道。典型测量精度优于 0.7ºC ，通道间偏差一般小于 0.5ºC （参见图 7B ）。

线性化。 通过硬件或者软件设置等价冰点参考 EMF 后，所测量的热电偶输出必须转换为温度读数。输出与 TC 结的温度成正比，但是在较大范围内线性较差。

对于任何温度，要获得高精度的转换值，可以将所测的热电偶电压值带入到特定类型热电偶的特征方程中。方程为 6 至 10 阶多项式。（ 可以从 NIST 中查到热电偶多项式系数。 ）计算机自动进行计算，但是处理高阶多项式的时间比较长。为了提高计算速度，将热电偶特征曲线分成几段。每一段由一个低阶多项式进行近似。

有时候使用模拟电路对曲线进行线性化处理，但是不使用多项式方法时，热电偶输出一般连接至 ADC 输入，由存储在计算机存储器中的表格获得正确的电压至温度匹配。例如， DA 系统的 TC 卡包含的软件驱动程序含有温度转换库，将原始的二进制 TC 通道和 CJC 信息变换成温度读数，对连接到系统中的热电偶自动进行线性化处理。

潜在的问题及其解决方案
噪声环境。 由于热电偶产生的电压相对较小，噪声的影响比较显著。最常见的噪声源来自供电电源的影响（ 50 或者 60Hz ）。由于热电偶带宽低于 50Hz ，对每一通道进行简单的滤波就可以降低干扰交流噪声。普通滤波器可以采用电阻和电容构成，有源滤波器则可以采用运算放大器。尽管无源 RC 滤波器价格低，适用于模拟电路，但是不建议应用于复用前端，这是因为复用器负载会改变滤波器的特性。另一方面，由运算放大器和少量无源元件构成的有源滤波器虽然效果较好，但是价格昂贵，电路复杂。而且，必须对每一通道进行校准，以补偿增益和失调误差（参见图 8 ）。

图 8. 不同的应用，无源滤波器（ A ）可以采用不同的配置。该电路可以采用一段或者多段的形式，以便得到越来越陡峭的曲线斜率。有源滤波器（ B ）可以很容易的去除常见的电噪声源，例如 50/60Hz 电源线的干扰，这些噪声影响了热电偶信号。

热电偶组装。 热电偶是两种不同的金属线绞合在一起，焊接形成一个结。如果不能很好的组装，可能会产生各种误差。例如，金属线不应简单的绞合在一起形成结，而应该通过焊接形成。只有在相对较低的温度下，一般低于 200ºC ，焊接效果才比较好。尽管焊接也加入了第三种金属，例如铅锡合金，但只要结的两侧保持相同的温度，几乎不会引入误差。对结进行焊接虽然是较好的方法，但是不能改变导线的特性。商用热电偶结一般为容性焊接，以保证均匀性，防止受到污染。

如果改变热电偶导线的物理组成，那么热电偶的定标将会失效，指示错误的温度，将达不到 NIST 标准。有多种因素都会导致这种影响，包括在极端温度环境中，对金属进行冷处理，安装时对线缆拉伸过大，振动或者存在温度梯度等。

温度升高，绝缘电阻减小也会导致热电偶输出变化。这种变化呈指数形式，可能产生非常小的漏电阻，将开路热电偶线探测电路旁路。在使用薄型热电偶线的高温应用中，绝缘电阻的减小会形成一个虚结（参见图 9 ）。 DA 系统将测量虚结 T1 的输出电压，而不是实际的 T2 结。

图 9. 热电偶引线间的短路或者绝缘失效会形成不易察觉的多余热电偶结——虚结。

而且，高温会释放出热电偶线绝缘层中的杂质和化学物质，这些物质搀杂到热电偶金属中，改变了热电偶的特性，导致温度电压关系偏离公布的数值。选择耐高温的绝缘层有助于减小这一问题的影响。

热电偶隔离。 热电偶隔离能够降低由地回路引起的噪声和误差。例如，大量的长引线热电偶直接连接发电机组（或者其他较大的金属物）和热电偶测量仪表时，这一问题尤其突出。热电偶能够以不同的地为参考，如果不隔离，地回路将引入相对较大的读数误差。

自动零位校准。 从测量通道的读数中提取短路通道的输出可以降低系统模拟电路时间和温度漂移的影响。尽管这种漂移非常小，但是对热电偶输出的低电平电压影响非常大。可以采取以下两个步骤有效的将漂移失调提取出来。首先，内部通道排序器切换至参考节点，将失调误差电压存储在电容上。然后，当热电偶通道切换至模拟通道时，存储的误差电压输出至差分放大器的失调校准输入，将失调自动抵消（参见图 10 ）。

热电偶开路探测。 方便迅速的探测多通道系统中的热电偶开路非常重要。被振动、操作不当、工作时间过长时，热电偶很容易破损或者阻抗加大。一个简单的热电偶开路探测电路含有一个与热电偶引线并联的小电容，由低电压电流进行驱动。完整热电偶的低阻抗对电容而言实际是短路的，因此不会对电容充电。当热电偶开路或者阻抗显著变化时，电容充电，驱动输入达到电源电压值，指示出现了热电偶失效（参见图 11 ）。

电解作用。 某些热电偶绝缘材料含有的染料物质在水的作用下，形成电解液。这种电解液在引线间产生电解电压，导致输出信号比净开路电压大数百倍。在屏蔽热电偶导线时进行很好的处理，防护好潮气和液体可以避免这一问题。

热分流。 理想的热电偶不会影响待测设备的温度，但实际的热电偶含有某些物质块，当加载到待测设备上时，会影响温度测量。可以采用直径较小的导线来减小热电偶块的影响，但是较小的导线容易受杂质、退火、拉伸和并联阻抗的影响。一种解决方法是在结上采用较短的热电偶导线，但是需要加入较重的特殊热电偶延长线，以延长距离。延长线所用材料的净开路电压系数与特定热电偶类型的相似。在较长距离上其串联阻抗相对较低，而且与优质热电偶导线相比，更容易穿过导管。除了尺寸优势外，延长线比标准热电偶导线（特别是铂）价格低。尽管有这些优势，延长线一般工作在较窄的温度范围内，更容易受到机械损伤。出于这些原因，应保证延长线上的温度梯度尽量小，确保精确的温度测量。热电偶导线按照 NIST 规范进行生产，在测试现场，比较容易按照已知温度标准进行校准。