应用分析-实用温度测量（四）

实用热电偶测量

噪声抑制

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：

• 不良连接点连接

• 热电偶线的失准

• 分流阻抗和电蚀作用

• 热分流

• 噪声和泄漏电流

• 热电偶规格

• 记录文档

不良连接点连接

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

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。

并联阻抗

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。

电蚀作用

某些热电偶绝缘层中使用的染料在存在水的情况下将 形成电解质。这将产生电蚀作用，得到的输出比塞贝克 效应大几百倍。应采取预防措施以屏蔽热电偶线避免所 有恶劣的大气和液体环境。

热分流

制成的热电偶不能没有质量。由于加热任何质量都需 要能量，因此热电偶将稍微改变其打算测量的温度。如 果要测量的质量较小，则热电偶自然必定很小。但使用 小直径电线制成的热电偶更容易受到污染、退火、应变 和并联阻抗等问题的影响。要最大限度降低这些影响， 可以使用热电偶延长线。市售的延长线主要用于覆盖测 量热电偶和电压表之间的长距离。

延长线由塞贝克系数与特定热电偶类型非常相似的金 属制成。通常它的尺寸更大以便其串联电阻不会在横跨 长距离时成为影响因素。它还可以比非常小的热电偶线 更容易穿过线管。延长线指定的温度范围通常比优质热 电偶线低得多。除了提供实用的尺寸优势以外，延长线 还比标准热电偶线便宜。这对基于铂的热电偶来说尤其 实际。

由于延长线指定的温度范围较窄并且很可能会受到机 械应力，因此延长线的温度梯度应保持在最低限度。根 据梯度理论，这可确保几乎没有任何输出信号受延长线 影响。

噪声-我们已经讨论了线路相关的噪声，因为它与数据 采集系统有关。积分、树形开关和保护技术可用于抵消 大多数线路相关的干扰。宽带噪声可通过模拟滤波器 抑制。

数据采集系统无法抑制的一种噪声类型是由系统中的 直流泄漏电流导致的直流偏移量。尽管直流泄漏电流量 值足以导致显著误差的情况不常见，但应注意并防止其 出现的可能性，尤其是热电偶线非常小而相关的串联电 阻很高时。

线校准

热电偶线按照特定的规格制造，表明其符合NBS表的 标准。规格有时可通过校准电线（在已知的温度进行测 试）来增强。连续线轴上的连续电线件通常会比指定的 公差更接近地跟踪彼此，尽管其输出电压可能稍微远离 绝对规格的中心。

如果是为了提高导线的基本规格而校准导线，更为迫 切的工作是需要具备上述所有条件以避免失准。

记录文档-说记录文档是电压测量误差的来源之一看 起来有些不合适，但实际上，热电偶系统由于易于使用 而引入了大量数据点。海量的数据可能变得相当不易操 作。采用大量数据时，由于标错线、使用错误的NBS曲 线等导致错误的可能性随之增加。

由于通道号不断变化，因此数据应按测量而不仅仅是 通道号进行分类。6有关任何指定测量以及如传感器类 型、输出电压、典型值和位置之类的信息均可在一个数 据文件中进行维护。这可以在计算机控制下完成，也可 以仅仅通过填写预先打印的表格来完成。无论如何维护 数据，都不应低估简明系统的重要性，尤其是在开始复 杂的数据收集项目时。

诊断

我们已经提到过的大多数误差来源在其温度限制附近 使用热电偶时会更加严重。在大多数应用中，不会经常 遇到这些情况。但我们在高温、恶劣的大气环境中使用 小型热电偶的情况将会怎样？我们怎么知道热电偶什么 时候产生错误的结果？我们需要制定一套可靠的诊断 步骤。

通过使用诊断技术，R.P.里德已开发出一个优秀的系统 用于检测故障热电偶和数据通道。10此系统的三个组件是 事件记录、温区框测试和热电偶电阻历史记录。

事件记录-第一个诊断根本不是测试，而是记录可能甚 至远程影响测量的所有相关事件。示例如下

3月18日事件记录

10:43 电源故障
10:47 系统电源恢复
11:05 将M821改为K型热电阻
13:51 新数据采集程序
16:07 M821似乎出现读数错误

我们查看程序列表并发现被测量#M821使用J型热电偶 并且我们的新数据采集程序将其视为J型。但通过事件记 录，很明显热电偶M821被更改为K型，而该更改未输入 到程序中。虽然大多数异常不会这么容易发现，但事件 记录可为系统测量中不明更改的原因提供有价值的洞察。 这对于配置为测量几百个数据点的系统尤其实际。

温区框测试-温区框是用于代替冰槽基准的已知温度的 等温接线盒。如果我们暂时将热电偶直接在温区框中 短路，则系统应读取非常接近温区框的读数，即接近 室温。

如果热电偶导线电阻比并联电阻高得多，则铜线分流 强制V = 0。在未短路的正常情况下，我们需要测量TJ， 而系统读数为： V ≅ α (TJ - TREF)

但对于功能测试，我们已使端子短路，以使V=0。因此 指示的温度T’J为：

 0 = α (T’J - TREF)
T’J = TREF

因此，对于V = 0的dvm读数，系统将指示温区框温 度。首先我们观察温度T （强制与T 不同），然后 我们缩短铜线热电偶，并确保系统指示温区框温度而 不是TJ。

这一简单的测试确认控制器、扫描器、电压表和温区框 补偿都正常运行。实际上，这一简单的过程可测试除热 电偶线本身以外的所有内容。

热电偶电阻-热电偶电路电阻的急剧变化可作为警告指 示器。如果绘制每组热电偶线的电阻与时间曲线，我们 可以立即发现急剧电阻变化，这可能表示电线开路、由 于安装故障电线短路、由于振动疲劳发生变化或许多故 障机制之一。

例如，假设我们有如图31中所示的热电偶测量。 我们想要测量已经点燃的地下煤层的温度曲线。电线经过高温区域，然后进入冷却器区域。我们测量的温度突然从300˚C上升到1200˚C。是煤层的燃烧区域转移到 不同的位置，还是热电偶绝缘层发生故障，因而导致热 点的两根电线之间短路？ 示例如下：

如果我们拥有热电偶线电阻的连续历史记录，则可以 推断出实际发生的事情。

由于电线的电阻率随着温度变化而变化，因此热电偶 的电阻自然随时间变化。但电阻的突然变化表示有些错 误。在这种情况下，电阻会急剧下降，表示绝缘层发生 故障，有效地缩短了热电偶回路。

连接点将测量温度Ts而不是T1。电阻测量为我们提供了 更多信息，有助于解释标准热电偶开路检查检测到的物 理现象。

测量电阻-我们大概检查一下热电偶线的电阻，如同进 行一次简单的测量。但要记住，如果热电偶产生电压， 这个电压可能会导致大的电偶测量误差。测量热电偶的 电阻类似于测量电池的内部电阻。我们可以使用称为偏 置补偿欧姆测量的技术来解决这个问题。

顾名思义，电压表首先测量热电偶偏移电压而不应用 欧姆电流源。然后，欧姆电流源将打开并再次测量电阻 两端的电压。电压表软件会补偿热电偶的偏移电压并计 算实际的热电偶源电阻。

特殊热电偶-在极端条件下，我们甚至可以使用诊断热 电偶电路配置。尖端分支和管脚分支的热电偶是四线热 电偶电路，可以进行温度、噪声、电压和电阻的冗余测 量以检查线路完整性。其各自的优点在参考资料8中详细 讨论。

只有严苛的热电偶应用才需要如此大量的诊断，但令 人欣慰的是，知道存在可用于确认重要热电偶测量完整 性的过程。

总结

总之，可通过以下预防措施改善热电偶系统的完整性：

• 使用不会从测量表面分流掉热量的可能的最大线 径导的线。

• 如果需要小线径线，请仅在测量区域使用，并为 没有温度梯度的区域使用延长线。

• 避免可能会拉紧线的机械应力和振动。

• 使用长热电偶线时，请连接屏蔽dvm保护端子的 线，并使用双绞延长线。

• 避免急剧的温度梯度

• 尝试恰好在热电偶线的额定温度时使用该热电 偶线。

• 使用防护型积分模数转换器。

• 在恶劣的环境中使用适当的护套材料来保护热 电偶线

• 仅在温度低且梯度小的区域内使用延长线。

• 保留热电偶电阻的事件记录和连续记录。