實用溫度測量（三）

我們已使用硬件和軟件補償來合成冰點基準。現在，我們只需讀取數字電壓表并將電壓讀數轉換成溫度即 可。遺憾的是，熱電偶的溫度與電壓關系不是線性的。 更常見的熱電偶輸出電壓被繪制為圖16中溫度的函數。 如果繪制的曲線斜率（塞貝克系數）與溫度如圖17中 所示，則很明顯熱電偶是非線性設備。

圖17中的水平線將表示常數α，換句話說，即線性設

備。我們注意到，K型熱電偶的斜率在從0?C到1000?C 的溫度范圍內接近常數。因此，K型可與倍增電壓表和 外部冰點基準配合使用以獲得適當精度的直接溫度讀 數。即溫度顯示僅涉及一個標度因子。 此過程與電壓表配合使用。

通過檢查塞貝克系數的變化，我們可以很容易地看 到，使用一個恒定的標度因子將限制系統的溫度范圍并 限制系統精度。通過讀取電壓表并查閱本手冊第172頁 上的（美國）國家標準局熱電偶表4可以得到更好的轉換 精度-見表3。 T = a₀ +a₁ x + a₂x² + a₃x³ . . . +a_nxⁿ

其中
T = 溫度
x = 熱電偶電動勢（以伏特為單位）
a = 每個熱電偶唯一的多項式系數
n = 多項式的最大階數

隨著n的增加，多項式的精度也會提高。代表性數字為 可實現± 1?C精度的n = 9。可在較窄的溫度范圍內使用 較低階數的多項式以獲得更高的系統速度。

表4是用于將電壓轉換成溫度的多項式示例。數據可打 包供數據采集系統利用。計算機不會直接計算指數，而 是編程為使用嵌套的多項式形式以節省執行時間。快速 擬合的多項式在表4中所示的溫度范圍以外會降級，因此 不應在這些限制范圍之外推算。

溫度轉換公式： T = a₀ +a₁ x + a₂x² + . . . +a_nxⁿ

嵌套多項式形式： T = a₀ + x(a₁ + x(a₂ + x (a₃ + x(a₄ + a₅x)))) (5th order)
其中x以伏特為單位，T以?C為單位
NBS多項式系數

表4

高項式的計算對計算機來說是一項費時的任務。正 如我們之前提到的，我們可以為較小的溫度范圍使用低 次多項式來節省時間。在用于一個數據采集系統的軟件 中，熱電偶特性曲線分為八個區域，每個區域通過三次 多項式做近似處理。*

所有上述過程都假設熱電偶電壓可以精確輕松地進行測 量；但快速瀏覽表3可以看到，熱電偶輸出電壓實際上 非常小。檢查系統電壓表的要求：

即使對于常見的K型熱電偶，電壓表也必須能夠分辨 4 μV才能檢測到0. 1?C的變化。此信號的量值是噪聲潛 入任何系統的開放入口。因此，儀器設計人員可利用多 項基本的噪聲抑制技術，包括樹形開關、常模過濾、積 分和保護。

樹形開關-樹形開關是一種將掃描器通道分組整理的方 法，每組具有其自己的主開關。

如果沒有樹形開關，每個通道可以直接通過其雜散電 容發出噪聲。通過樹形開關，成組的并行通道電容在一 個樹形開關電容中串聯。由于降低了通道間電容，結果 大大減少了大型數據采集系統中的串擾。

模擬濾波器-可在電壓表輸入端直接使用濾波器以減少 噪聲。這將顯著減少干擾，但會導致電壓表對階躍輸入 的響應更加緩慢。

積分-積分是一項模數轉換技術，從根本上均化整個線 路周期的噪聲；因此供電線路相關的噪聲及其諧波幾乎 可以消除。如果選擇的積分時間段小于積分線路周期， 則其噪聲抑制屬性會從根本上失效。

由于熱電偶電路覆蓋的長距離特別容易產生供電線路 相關的噪聲，因此建議使用積分模擬到數字轉換器來測 量熱電偶電壓。根據允許整個周期積分讀取速率為每秒 48個樣品的最近創新，積分是一項特別有吸引力的模數 轉換技術。

保護-保護是用于從高低測量導線常見的任何噪聲源M

（即從共模噪聲源）減少干擾的一項技術。

我們假設熱電偶線穿過的線管與220 Vac電源線相同。 電源線和熱電偶線之間的電容將產生約等于兩根熱電偶 線上量值的交流信息。此共模信號在理想電路中不成問 題，但電壓表并非理想電路。電壓表的低端子和安全接 地（殼體）之間有一些電容。電流會流經此電容并流經 熱電偶導線電阻，從而產生常模噪聲信號。保護裝置（ 物理上是包圍整個電壓表電路的浮動金屬盒）將連接到 包裹熱電偶線的屏蔽裝置，并用于分流干擾電流。

每個屏蔽的熱電偶連接點都可以直接接觸干擾源而沒 有任何不良影響，因為掃描器上已進行布置，以針對每 個熱電偶通道單獨切換保護端子。將屏蔽裝置連接到保 護裝置的這一方法用于消除接地回路（通常在屏蔽裝置 接地時產生）。

dvm保護裝置對于消除熱電偶連接點與共模噪聲源直 接接觸時產生的噪聲電壓特別有用。

在圖22中，我們想要測量正由電流加熱的金屬液槽 中央的溫度。槽中央的電勢是120 V RMS。等效電路 如下：

從dvm Lo端子到殼體的雜散電容會造成一個電流流經低 電平導線，這反過來會導致熱電偶Rs的串聯電阻間的噪 聲電壓下降。這個電壓直接出現在dvm Hi到Lo端子間， 并導致噪聲測量。如果我們使用保護導線直接連接到熱 電偶，則會明顯減少Lo導線中的電流。現在，噪聲電流 流經不影響讀數的保護導線：

請注意，我們也可以通過最大限度減小Rs來最大限度 減小噪音。我們使用線徑更大的熱電偶線（串行電阻更 小）來實現這項操作。

為了減少發生磁感應噪聲的可能性，熱電偶應以統一 的方式絞合。市場上可以買到的熱電偶延長線都是雙絞 線配置。

實用的預防措施-我們討論了參照端的概念、如何使用 多項式提取絕對溫度數據，以及要在數據采集系統中尋 找的內容來最大限度降低噪音的影響。現在，讓我們來 了解一下熱電偶線本身。多項式曲線擬合依賴于完善的 熱電偶線；也就是說在執行溫度測量期間，熱電偶線必 須不能被失準。現在我們將討論熱電偶溫度測量的一些 誤區。

除數據采集系統及其溫區框的指定精度以外，大多數 測量誤差可以追溯到以下主要來源之一：

1. 不良連接點連接
2. 熱電偶線的失準
3. 分流阻抗和電蝕作用
4. 熱分流
5. 噪聲和泄漏電流
6. 熱電偶規格
7. 記錄文檔

連接兩根熱電偶線有許多可接受的方法：釬焊、銀釬 焊、焊接等。熱電偶線釬焊在一起后，我們可在熱電偶 電路中插入第三種金屬，只要熱電偶兩端的溫度相同， 焊料應不會引起任何錯誤。焊料不會限制此連接點可承 受的最高溫度。要達到較高的測量溫度，必須焊接接 頭。但焊接并非一個可以輕率進行的過程。5過熱可能會 降低電線的性能，并且焊接電線的焊接氣體和空氣都可 能會擴散到熱電偶金屬中，從而更改其特性。困難在于 通過連接的兩種性質完全不同的金屬進行復合。商用熱 電偶在非常昂貴的機器上使用電容放電技術進行焊接以 確保均勻性。

當然，不良焊接會導致連接開路，這可在測量情況下 通過執行熱電偶開路檢查檢測出來。這是數據記錄器提 供的一種常見測試功能。盡管熱電偶開路是最容易檢測 到的故障，但它不一定是最常見的故障模式。

標定降級是一種比熱電偶開路嚴重得多的故障情況， 因為它可能會導致溫度讀數看起來正確。標定降級描述 無意中更改熱電偶線的物理結構以致其在指定的限制內 不再符合NBS多項式的過程。標定降級可導致大氣顆粒 擴散到金屬中（由極限溫度引起）。這可能由高溫退火 或冷加工金屬導致，即從線管中抽出電線或應變野蠻操 作或振動時產生的影響。退火可能會在經歷溫度梯度的 電線段內發生。

羅伯特莫法特在他的《Gradient Approach to Thermocouple Thermometry》中解釋說，熱電偶電壓 實際上是由包含溫度梯度的電線段生成的，而不一定是 由連接點生成的。9例如，如果有一個熱探頭位于金屬液 槽中，則將有兩個幾乎等溫的區域并且其中一個有較大 的梯度。

在圖26中，熱電偶連接點將不會產生輸出電壓的任何 部分。陰影部分是將產生幾乎整個熱電偶輸出電壓的部 分。如果發現此熱電偶的輸出由于老化或退火而出現漂 移，則單獨更換熱電偶連接點將無法解決該問題。我們 將不得不更換整個陰影部分，因為這是熱電偶電壓的 來源。

熱電偶線顯然無法完美制造；會有一些缺陷導致輸出 電壓誤差。這些不均勻性如果出現在急劇變化的溫度梯 度區域可能會尤其有破壞性。由于我們不知道電線內部 將會產生缺陷的位置，因為我們能做的是最好避免產生 急劇變化的梯度。通過使用金屬套管或仔細布置熱電偶 線可減小梯度。

高溫可能還會對熱電偶線絕緣體造成損害。絕緣電阻 可能會隨著溫度升高呈指數下降，甚至到產生虛擬連接 點的程度。7假設我們在高溫下運行完全開路的熱電偶

泄漏電阻RL可能足夠低以形成完整的電路，并為我們 提供一個不正確的電壓讀數。現在，我們假設熱電偶并 非開路，但我們使用的是一段很長的小直徑電線。

如果熱電偶線很小，則其串聯電阻RS將相當高并且在 極端條件下RL < < RS。這意味著熱電偶連接點將顯示為 位于RL并且輸出將與T₁而不是T₂成正比。

高溫會對熱電偶線有其他不利影響。絕緣層內的雜質 和化學品可能會實際上擴散到熱電偶金屬中，導致溫度- 電壓依賴性偏離公布的值。在高溫下使用熱電偶時，應 仔細選擇絕緣層。通過選擇適當的保護性金屬或陶瓷護 套，可將大氣效應降至最低。