热电偶测量的难点与研究
热电偶测量的难点
1.滤波与放大
将热电偶产生的电压变换成精确的温度读数并不是件轻松的事情，型的灵敏度。__原因很多：电压信号太弱，温度电压关系呈非线性，需要参考接合点补偿，且热电偶可能引起接地问题。让我们逐一分析这些问题。电压信号太弱：最常见的热电偶类型有J、K 和T 型。在室温下，其电压变化幅度分别为52 μV/°C、41 μV/°C 和41 μV/°C。其它较少见的类型温度电压变化幅度甚至更小。这种微弱的信号在模数转换前需要较高的增益级。表1 比较了各种热电偶类
表1. 25°C时各种热电偶类型的电压变化和温度升高关系（塞贝克系数）
因为电压信号微弱，信号调理电路一般需要约100 左右的增益，这是相当简单的信号调理。更棘手的事情是如何识别实际信号和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线较长，经常穿过电气噪声密集环境。引线上的噪声可轻松淹没微小的热电偶信号。一般结合两种方案来从噪声中提取信号。第一种方案使用差分输入放大器（如仪表放大器）来放大信号。因为大多数噪声同时出现在两根线上（共模），差分测量可将其消除。第二种方案是低通滤波，消除带外噪声。低通滤波器应同时消除可能引起放大器整流的射频干扰（1MHz 以上）和50Hz/60Hz（电源）的工频干扰。在放大器前面放置一个射频干扰滤波器（或使用带滤波输入的放大器）十分重要。
2.参考接合点补偿
要获得精确的绝对温度读数，必须知道热电偶参考接合点的温度。当第一次使用热电偶时，这一步骤通过将参考接合点放在冰池内来完成。这种方法用来详尽描述各种热电偶类型的特点，因此几乎所有的热电偶表都使用0°C作为参考温度。但对于大多数测量系统而言，将热电偶的参考接合点保持在冰池内不切实际。大多数系统改用一种称为参考接合点补偿（又称为冷接合点补偿）的技术。参考接合点温度使用另一种温度敏感器件来测量—一般为IC、热敏电阻、二极管或RTD（电阻温度测量器）。然后对热电偶电压读数进行补偿以反映参考接合点温度。必须尽可能精确地读取参考接合点—将精确温度传感器保持在与参考接合点同的温度。任何读取参考接合点温度的误差都会直接反映在最终热电偶读数中。可使用各种传感器来测量参考接合点温度：
1、热敏电阻：响应快、封装小；但要求线性，精度有限，尤其在宽温度范围内。要求激励电流，会产生自发热，引起漂移。结合信号调理功能后的整体系统精度差。
2、电阻温度测量器（RTD）：RTD 更精确、稳定且呈合理线性，但封装尺寸和成本限制其应用于过程控制应用。
3、远程热二极管：二极管用来感应热耦连接器附近的温度。调节芯片将和温度成正比的二极管电压转换成模拟或数字输出。其精度限于约±1°C。
4、集成温度传感器：集成温度传感器是一种局部感应温度的独立IC，应小心地靠近参考接合点安装，并可组合参考接合点补偿和信号调理。可获得远低于1°C的精度。
3.电压信号非线性
热电偶响应曲线的斜率随温度而变化。例如，在0°C时，T型热电偶输出按39 μV/C 变化，但在100°C时斜率增加至47 μV/C。有三种常见的方法来对热电偶的非线性进行补偿。
第一种方案是选择曲线相对较平缓的一部分并在此区域内将斜率近似为线性，这是一种特别适合于有限温度范围内测量的方案，这种方案不需要复杂的计算。K 和J 型热电偶比较受欢迎的诸多原因之一是它们同时在较大的温度范围内灵敏度的递增斜率（塞贝克系数）保持相当恒定（参见图3）。
图3.热电偶灵敏度随温度而变化
注意，从0°C至1000°C，K型塞贝克系数大致恒定在约41 μV/C。另一个方案是将查找表存储在内存中，查找表中每一组热电偶电压与其对应的温度相匹配。然后，使用表中两个最近点间的线性插值来获得其它温度值。第三种方案使用高阶等式来对热电偶的特性进行建模。这种方法虽然最精确，但计算量也最大。每种热电偶有两组等式。一组将温度转换为热电偶电压（适用于参考接合点补偿）。另一组将热电偶电压转换成温度。
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