实用温度测量（三）

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。

温度转换公式： T = a₀ +a₁ x + a₂x² + . . . +a_nxⁿ

嵌套多项式形式： T = a₀ + x(a₁ + x(a₂ + x (a₃ + x(a₄ + a₅x)))) (5th order)
其中x以伏特为单位，T以?C为单位
NBS多项式系数

表4

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。

每个屏蔽的热电偶连接点都可以直接接触干扰源而没 有任何不良影响，因为扫描器上已进行布置，以针对每 个热电偶通道单独切换保护端子。将屏蔽装置连接到保 护装置的这一方法用于消除接地回路（通常在屏蔽装置 接地时产生）。

dvm保护装置对于消除热电偶连接点与共模噪声源直 接接触时产生的噪声电压特别有用。

在图22中，我们想要测量正由电流加热的金属液槽 中央的温度。槽中央的电势是120 V RMS。等效电路 如下：

从dvm Lo端子到壳体的杂散电容会造成一个电流流经低 电平导线，这反过来会导致热电偶Rs的串联电阻间的噪 声电压下降。这个电压直接出现在dvm Hi到Lo端子间， 并导致噪声测量。如果我们使用保护导线直接连接到热 电偶，则会明显减少Lo导线中的电流。现在，噪声电流 流经不影响读数的保护导线：

请注意，我们也可以通过最大限度减小Rs来最大限度 减小噪音。我们使用线径更大的热电偶线（串行电阻更 小）来实现这项操作。

为了减少发生磁感应噪声的可能性，热电偶应以统一 的方式绞合。市场上可以买到的热电偶延长线都是双绞 线配置。

实用的预防措施-我们讨论了参照端的概念、如何使用 多项式提取绝对温度数据，以及要在数据采集系统中寻 找的内容来最大限度降低噪音的影响。现在，让我们来 了解一下热电偶线本身。多项式曲线拟合依赖于完善的 热电偶线；也就是说在执行温度测量期间，热电偶线必 须不能被失准。现在我们将讨论热电偶温度测量的一些 误区。

除数据采集系统及其温区框的指定精度以外，大多数 测量误差可以追溯到以下主要来源之一：

1. 不良连接点连接
2. 热电偶线的失准
3. 分流阻抗和电蚀作用
4. 热分流
5. 噪声和泄漏电流
6. 热电偶规格
7. 记录文档

连接两根热电偶线有许多可接受的方法：钎焊、银钎 焊、焊接等。热电偶线钎焊在一起后，我们可在热电偶 电路中插入第三种金属，只要热电偶两端的温度相同， 焊料应不会引起任何错误。焊料不会限制此连接点可承 受的最高温度。要达到较高的测量温度，必须焊接接 头。但焊接并非一个可以轻率进行的过程。5过热可能会 降低电线的性能，并且焊接电线的焊接气体和空气都可 能会扩散到热电偶金属中，从而更改其特性。困难在于 通过连接的两种性质完全不同的金属进行复合。商用热 电偶在非常昂贵的机器上使用电容放电技术进行焊接以 确保均匀性。

当然，不良焊接会导致连接开路，这可在测量情况下 通过执行热电偶开路检查检测出来。这是数据记录器提 供的一种常见测试功能。尽管热电偶开路是最容易检测 到的故障，但它不一定是最常见的故障模式。

标定降级是一种比热电偶开路严重得多的故障情况， 因为它可能会导致温度读数看起来正确。标定降级描述 无意中更改热电偶线的物理结构以致其在指定的限制内 不再符合NBS多项式的过程。标定降级可导致大气颗粒 扩散到金属中（由极限温度引起）。这可能由高温退火 或冷加工金属导致，即从线管中抽出电线或应变野蛮操 作或振动时产生的影响。退火可能会在经历温度梯度的 电线段内发生。

罗伯特莫法特在他的《Gradient Approach to Thermocouple Thermometry》中解释说，热电偶电压 实际上是由包含温度梯度的电线段生成的，而不一定是 由连接点生成的。9例如，如果有一个热探头位于金属液 槽中，则将有两个几乎等温的区域并且其中一个有较大 的梯度。

在图26中，热电偶连接点将不会产生输出电压的任何 部分。阴影部分是将产生几乎整个热电偶输出电压的部 分。如果发现此热电偶的输出由于老化或退火而出现漂 移，则单独更换热电偶连接点将无法解决该问题。我们 将不得不更换整个阴影部分，因为这是热电偶电压的 来源。

热电偶线显然无法完美制造；会有一些缺陷导致输出 电压误差。这些不均匀性如果出现在急剧变化的温度梯 度区域可能会尤其有破坏性。由于我们不知道电线内部 将会产生缺陷的位置，因为我们能做的是最好避免产生 急剧变化的梯度。通过使用金属套管或仔细布置热电偶 线可减小梯度。

高温可能还会对热电偶线绝缘体造成损害。绝缘电阻 可能会随着温度升高呈指数下降，甚至到产生虚拟连接 点的程度。7假设我们在高温下运行完全开路的热电偶

泄漏电阻RL可能足够低以形成完整的电路，并为我们 提供一个不正确的电压读数。现在，我们假设热电偶并 非开路，但我们使用的是一段很长的小直径电线。

如果热电偶线很小，则其串联电阻RS将相当高并且在 极端条件下RL < < RS。这意味着热电偶连接点将显示为 位于RL并且输出将与T₁而不是T₂成正比。

高温会对热电偶线有其他不利影响。绝缘层内的杂质 和化学品可能会实际上扩散到热电偶金属中，导致温度- 电压依赖性偏离公布的值。在高温下使用热电偶时，应 仔细选择绝缘层。通过选择适当的保护性金属或陶瓷护 套，可将大气效应降至最低。