關于溫度測量的方式，大家知道幾種呢？

是利用液體的體積變化來指示溫度的玻璃液體溫度計，還是把兩種線膨脹系數不同的金屬組合在一起的雙金屬溫度計呢？在測試測量領域，運用最多的肯定是電學測溫法：熱電偶溫度測量及熱電阻溫度測量。

接下來我們從這兩種溫度測溫法的基礎知識入手，了解溫度測量的原理并學習在測試測量領域是如何運用不同方法進行溫度的測量的。

本文分享：

溫度測量的兩種方式

一、 不同溫度測量方式的對比

NI官網推薦的三種溫度測量傳感器分別為熱電偶、RTD和熱敏電阻，其優缺點如下圖所示。

熱電偶便宜，而且有很快的響應時間，但是它精度不高而且最不穩定，最不靈敏。熱電偶僅僅是讀取頭和線之間的溫度差異，而RTD和熱敏電阻是讀取絕對溫度值。 RTD是可靠性的最佳選擇，而且最為穩定，精度最高。但是它的響應時間太長而且因為它需要一個電流源，因此它有自熱產生。 熱敏電阻輸出很快而且相對便宜，但是它易碎而且溫度范圍有限。它同樣需要一個電流源而且比RTD的自熱現象更為嚴重，同時它是非線性的。 不同的溫度測量對象需要選擇合適的溫度傳感器，接下來我們來了解一下熱電偶和熱電阻的基本原理以及NI是如何使用它們來采集溫度數據的。

二、 熱電偶溫度測量

1.熱電偶傳感器的基本原理

熱電偶測溫的基本原理是：兩種不同成份的材質導體組成閉合回路,當兩端存在溫度梯度時,回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在電動勢——熱電動勢，這就是所謂的塞貝克效應。

兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下。根據熱電動勢與溫度的函數關系, 制成熱電偶分度表; 分度表是自由端溫度在0℃時的條件下得到的，不同的熱電偶具有不同的分度表。

在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時, 只要該材料兩個接點的溫度相同, 熱電偶所產生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此, 在熱電偶測溫時, 可接入測量儀表, 測得熱電動勢后, 即可知道被測介質的溫度。

兩種不同成份的導體(稱為熱電偶絲材或熱電極)兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產生電動勢（熱電動勢）。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質溫度的一端叫做工作端(也稱為測量端)，另一端叫做冷端(也稱為補償端);冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產生的熱電勢。

熱電偶的測量中，補償導線是非常重要的。

如上圖所示：T測量端就是我們常說的工作端或者熱端，假設T兩端的金屬材料為A和B，在1~100°C之間,A′與 A A, B′與B 熱點特性相同或相近,那么當兩個接頭點Tn溫度相同時，就可以把A′和B′當作A和B的延長線使用，這就是我們常說的補償導線。

補償導線可以大大節約成本，因為熱電偶兩極的金屬材料一般都是比較名貴的貴金屬材料。

理論上，熱電偶是冷端以0℃為標準進行測量的。然而，通常測量時儀表是處于室溫之下的，但由于冷端不為0℃，造成了熱電勢差減小，使測量不準，出現誤差。因此為減少誤差所做的補償措施就是冷端溫度補償。

接下來我們來介紹幾種常見的冷端補償方法。

2.熱電偶的冷端補償

（1）什么是冷端補償？

采用熱電偶測量溫度的一個基本要求是一個端點的溫度值必須知道。若該端的溫度能保持為0℃，那么，根據測得的熱電勢，可以直接通過查分度表得到另一端點的溫度值。這個溫度固定端常稱為參比端。

（2）常見的冷端補償方法

冰點槽法：冰點槽法就是把熱電偶的冷端放入冰水混合物容器里，使T0=0℃。這種辦法僅限于在科學實驗中使用。為了避免冰水導電引起兩個連接點短路，必須把連接點分別置于兩個玻璃試管里，浸入同一冰點槽，使相互絕緣。把參比端溫度恒定在0度，做起來成本高難度大。

計算修正法：計算修正法就是用普通室溫計算出冷端實際溫度TH，應該注意的是由于熱電偶溫度電勢曲線的非線性，上面所說的相加是熱電勢的相加，而不是簡單的溫度相加。

利用公式計算：EAB（T,T0）=EAB（T,TH）+EAB（TH,T0）

補正系數法：把冷端實際溫度TH乘上系數k，加到由EAB（T,TH）查分度表所得的溫度上，成為被測溫度T。用公式表達即：T= T′+ k×TH。式中：T—為未知的被測溫度； T′—為參考端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH—室溫； k—為補正系數。

零點遷移法：在測量結果中人為地加一個恒定值，因為冷端溫度穩定不變，電動勢EAB（TH,0）是常數，利用指示儀表上調整零點的辦法，加大某個適當的值而實現補償。應用于冷端不是0℃，但十分穩定（如恒溫車間或有空調的場所）。

補償器法：利用不平衡電橋產生熱電勢補償熱電偶因冷端溫度變化而引起熱電勢的變化值。

軟件處理法：對于計算機系統，不必全靠硬件進行熱電偶冷端處理。例如冷端溫度恒定但不為0℃的情況，只需在采樣后加一個與冷端溫度對應的常數即可。對于T0經常波動的情況，可利用熱敏電阻或其它傳感器把T0信號輸入計算機，按照運算公式設計一些程序，便能自動修正。

（3）計算修正法示例

補充一下計算修正法的使用示例。

熱電偶的分度表都是冷端置在冰水混合物（0℃）中時得到的，而我們平常測試，冷端都是在室溫條件下；所以在室溫條件下測試時，測試得到的熱電動勢不能直接帶入分度表去計算，要加入冷端補償，把室溫到0℃這點誤差補償掉。下面有個計算修正的例題：

例：用銅-康銅熱電偶測某一溫度T，冷端在室溫環境TH中，測得熱電動勢EAB（T,TH）=1.999mV，又用室溫計測出TH=21℃,查此種熱電偶的分度表可知，EAB（21,0）=0.832mV，故得：

EAB（T,0）=EAB（T,21）+EAB（21,T0）

=1.999+0.832

=2.831（mV）

再次查分度表，與2.831mV對應的熱端溫度T=68℃。

注意：既不能只按1.999mV查表，認為T=49℃，也不能把49℃加上21℃，認為T=70℃。

3.NI的熱電偶測量

了解了熱電偶溫度測量的基本原理和幾個冷端補償方法后，我們來一起了解一下在測試測量領域，NI是如何進行熱線偶測量的？

注意：①可以參考LabVIEW范例>>熱電偶-連續輸入

②在LabVIEW中可以設置“CJC源”，這個就是用于冷端補償的部分。選擇不同的CJC源就可以實現用不同的方式去做冷端補償。

③NI采集溫度的板卡（如PXI-4353）本質上還是一張能采毫伏級電壓的AI采集卡，板卡上只做了信號的調理（對不同熱電偶類型采用不同的調理電路）和放大，驅動中做了電壓換算成溫度的部分（NI用的是一個五階公式擬合，和標準溫度校準儀器相比可能沒有人家那么精確）。

在熱電偶測量任務設置時，有三種不同的CJC源可以選擇，那么這三種模式分別代表著什么呢，其優缺點又是什么呢？

（1）CJC源選擇“內置”

當前設置板卡會根據內置的一個冷端源（通常是在接線盒TB-4353中的熱敏電阻）進行熱電偶的冷端補償。

優點：無需額外配置和計算

缺點：有時候熱電偶的冷端（真正的冷端）和接線盒中的內置冷端補償部分自己采集到的溫度不同，可能會有誤差

（2）CJC源選擇“常量值”

當前設置需要測量當前環境溫度（真正的冷端處的溫度）的值，然后輸入到CJC值中，板卡內部會自動根據輸入的值進行冷端補償算法，這樣子算出來會比較準確，具體算法就像上面2-3的例題。

優點：冷端溫度自己測量比較準確，板卡最終測出來的結果也會誤差較小

缺點：需要自行額外測量熱電偶冷端的溫度

（3）CJC源選擇“通道”

當前設置需要將板卡的一路通道作為冷端源去使用，最好將這路通道置在冰水混合物中，模擬建立分度表時的標準環境，這樣板卡測出來的溫度值就是熱電偶輸出的溫度。

選擇這種模式首先需要使用一路通道建立一個MAX溫度采集任務，然后用這個任務去采集冷端溫度。

優點：這樣測得的數據是最準確的

缺點：需要額外占用一路通道去當作采集冷端的溫度

4.如何使溫度梯度最小化

為了獲得最佳的CJC精度性能，請確保端子排附近的環境溫度和溫度梯度的變化保持在最小。

使用最小規格的導線可以使得接點之間傳輸較少的電流。測量時，保證連接熱電偶的導線線都靠近端子座，以保持在相同的溫度。將導線遠離熱或冷的物體。使用與熱電偶導線材質相同的延長導線等方法都可使溫度梯度最小化，采集得到較為精確的溫度。

三、 熱電阻溫度測量

1.熱電阻溫度測量的原理

熱電阻傳感器又稱RTD，熱電阻的測溫原理與熱電偶的測溫原理不同的是，熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。

RTD根據純金屬電阻變化原理工作，其特征是電阻隨溫度呈正線性變化。它由塑料薄膜上的鉑金薄膜組成。它的電阻隨溫度變化，通常可以測量高達850°C的溫度。使電流流過RTD會在RTD兩端產生電壓。通過測量該電壓，可以確定其電阻，從而確定其溫度。電阻和溫度之間的相對線性關系。其物理結構如下圖所示。

以鉑熱電阻為例，根據其電阻值的不同，又可分為Pt50、Pt100、Pt200、Pt500和Pt1000等。名稱中的數值表示熱電阻在0℃下的電阻值。Pt100就表示為是在0°C時典型電阻為100Ω的設備。下圖為鉑電阻Pt100的溫度變化曲線。

2.RTD的測量

RTD是一種無源測量設備；因此必須為其提供激勵電流，然后讀取其端子上的電壓，這樣可以將電壓轉換為溫度。為了避免由流過RTD的電流引起的自發熱，請盡可能減小該勵磁電流。

根據RTD熱電阻的引出線的數量的不同，RTD可分為兩線制、三線制和四線制。

（1）兩線制測量

兩線制RTD的引線是直接在電阻的兩端引出兩條導線到測溫模塊上。測溫模塊采用電橋平衡的原理，RTD作為電橋的一個臂進行測量。

兩線制測量的鉑電阻兩端各接一個引出導線，兩段導線的線阻與RTD的阻值疊加，使得測量誤差較大。阻值為RTD+RL1+RL2。下圖為兩線制鉑電阻恒流法測量電路。

兩線式鉑電阻適合測溫精度要求不高、導線長度較短的場合。

（2）三線制測量

為了消除兩線制線阻導致的誤差，許多RTD采用三線制形式。三線制是在兩線制的基礎上，從電阻的一端引出第三條線，如下圖所示。

三線制的鉑電阻，一端引線為兩根線，另一端引線為一根。在制作工藝上，三根導線材料成分、橫截面積、長度等參數保持一致，這樣測量時可以消除導線內阻引入的誤差。三線制鉑電阻恒流法測量電路如下圖所示。

如上圖所示。線制鉑電阻的導線1和導線2給予一相同的恒定電流源，測得導線1和導線2間的電阻值為(R1+R2+RE)。導線2和導線3間的電阻為(R2+R3)。如果導線特性都相同，線阻也相同，相減后測得的電壓【V】即為鉑電阻兩端的電壓。

三線鉑式電阻適合大部分場合，但因為導線的線阻不可能做到完全一致，所以三線制的測量仍然會有一定的誤差。

（3）四線制測量

如果要測量完全不會受到線阻的影響，那么可以采用四線制測量。

四線式鉑電阻，電阻的兩端引線都為兩根線，兩端對向為一組線；其中一組用于電流道通，稱為電流線；另外一組為測量線，用于測量電阻阻值。四線制鉑電阻恒流法測量電路如下圖所示。

使用四線制時，一對導線用于輸出和收回激勵電流（導線1和導線4為電流線），另一對導線用于測量電勢差（導線2和導線3為測量線）。由于用于測量電勢差的導線上沒有電流經過，所以不會引入導線上的電阻所帶來的誤差。根據歐姆定律即可精確計算阻值，也就得出準確的溫度。因此四線式鉑電阻可以完全消除導線內阻的影響，成本高，適用于高精度測量場合。

3.NI的熱電阻測量

對于測量兩線制RTD的板卡，將紅色RTD導線連接到激勵正極EX+，在數據采集設備上將激勵正極和通道正極之間短接。將藍色（或白色）RTD導線連接到勵磁負極EX-，在數據采集設備上將激勵負極和通道負極之間短接。如下圖所示。

對于三線制RTD測量的板卡，將紅色RTD導線連接到激勵正極EX+。在數據采集設備上從激勵正極引腳到通道正極進行短接。將藍色（或白色）RTD導線之一連接到負激勵，另一根連接到通道負。 以NI-9217為例，板卡內部已經連接了激勵正極EX+與通道正極CH+，所以不需要在外部進行短接。如下圖顯示了用于測量三線制RTD的外部連接以及NI 9217 RTD模塊的引腳。

對于四線制RTD測量的板卡，只需將熱電阻正極的兩根紅色引線分別連接到數據采集設備上的激勵正和通道正。將熱電阻負極上的兩根藍色（或白色）導線分別連接到數據采集設備上的激勵正和負極通道。 以NI-9217為例，下圖顯示了用于測量四線制RTD的外部連接以及NI 9217 RTD模塊的引腳。

4.如何優化RTD測量

RTD輸出信號通常在毫伏范圍內運行，因此容易受到噪聲的影響。RTD數據采集系統中通常使用低通濾波器來消除RTD測量中的高頻噪聲。低通濾波器可用于消除大多數實驗室和工廠設置中普遍存在的60 Hz電源線噪聲。還可以通過放大信號源附近的低電平電壓來顯著改善系統的噪聲性能。由于RTD輸出電壓電平非常低也可以優化模數轉換器（ADC）的輸入限制。

以上就是基于溫度測量原理的兩種基本電學溫度測量方式的知識分享啦。

作者：王廣雄 張詩鈺

審核編輯：湯梓紅