【導讀】熱電偶可以用于高精度的溫度測量，但對設計工程師來說卻很棘手。不過，如果你理解熱電偶的工作原理的話，就可以通過堅實的電路設計和校準來優(yōu)化測量精度。本文介紹了熱電偶的基本原理及電路設計時需要注意的事項。
自20世紀初期以來，熱電偶就被廣泛應用于關鍵的溫度測量，特別是極高溫領域。對于許多工業(yè)和過程關鍵應用，T/C和RTD(電阻溫度檢測器)已經成為溫度測量的“黃金標準”。盡管RTD具有更好的精度和可重復性，但相對而言，熱電偶具有如下優(yōu)勢：
然而，利用熱電偶進行高精度溫度測量可能比較復雜。您可以通過堅實的電路設計和校準來優(yōu)化測量精度，但理解熱電偶工作原理有助于設計電路或使用溫度計。
熱電偶工作原理
向一段金屬絲施加一個電壓源時，電流從正端流向負端，金屬絲發(fā)熱，造成一部分能量損耗。托馬斯·塞貝克在1821年發(fā)現(xiàn)的塞貝克效應則是一種反向現(xiàn)象：向一段金屬絲應用某種溫度梯度時，會產生一個電勢。這就是熱電偶的物理基礎。
(式1)式中，?V為電壓梯度，?T為溫度梯度，S(T)為塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)與材料相關，并且也是溫度的函數(shù)。一段金屬絲上兩個不同溫度點之間的電壓等于塞貝克系數(shù)函數(shù)在溫度上的積分。
(式2)例如，圖1中的T1、T2和T3表示一段金屬絲上不同位置點的溫度。T1 (藍色)表示最低溫度點，T3(紅色)表示最高溫度點。T2和T1之間的電壓為：
(式3)類似地，T3和T1之間的電壓為：
(式4)根據積分的可加性，V31也等于：
(式5)我們在討論熱電偶的電壓與溫度轉換時，要牢記這一點。
圖1：根據塞貝克系數(shù)，溫度梯度在傳導性金屬上產生電壓。
熱電偶由兩種不同的金屬組成，金屬絲的塞貝克系數(shù)S(T)一般不同。既然一種金屬上的溫度差即可產生電壓差，為什么必須使用兩種金屬呢？假設圖2中的金屬絲是由材料“A”制成的。如果一塊電壓表的探頭也是由材料A制成的，理論上說，電壓表將檢測不到任何電壓。
圖2：電壓測量連接。當探頭和金屬絲的材料相同時，將不存在電勢差。
原因是當探頭連接到金屬絲末端時，相當于將金屬絲延長了。長金屬絲的兩個末端連接到電壓表的輸入，具有相同的溫度(TM)。如果金屬絲兩個末端的溫度相同，則不會產生電壓。 為了在數(shù)學上證明這一點，我們計算從電壓表正端到負端的整個金屬環(huán)上累積的電壓。
(式6)根據積分的可加性，上式變?yōu)椋?br />
(式7)當積分的下邊界和上邊界相同時，積分的結果為V=0。 如果探頭材料為B，如圖3所示，那么：
(式8)將上式簡化，我們得到：
(式9)式9表明，測量電壓等于兩種材料的塞貝克系數(shù)函數(shù)之差的積分。這就是熱電偶使用兩種異金屬的原因。
圖3：電壓測量連接。探頭和金屬絲采用不同的材料，說明了塞貝克系數(shù)的物理現(xiàn)實。
根據圖3中的電路和式9，假設SA(T)、SB(T)以及被測電壓已知，我們仍然不能計算得到熱端的溫度(TH)，除非我們已知冷端的溫度(TC)。在熱電偶的早期階段，使用溫度為0°C的冰點爐作為參考溫度(術語“冷端”由此而來)，因為這種方法的成本低、容易實現(xiàn)，并且能夠自我調節(jié)溫度。等效電路如見圖4所示。
圖4：熱電偶需要一個參考溫度，圖中所示的0°C，以便計算未知溫度TH。
熱電偶系統(tǒng)
現(xiàn)代熱電偶由一端(TH)連接在一起的兩根不同的金屬絲組成。在金屬絲對的開路端測量電壓。根據圖5所示的等效電路，VC與上圖3中的公式9相同。
(式10)
圖5：采用冷端補償?shù)默F(xiàn)代熱電偶配置。
冷端補償
冷端補償冷端(TC)溫度可設定為冰點爐的0°C，但在實際應用中，我們不使用冰水桶作為參考溫度。利用CJC (冷端補償)方法，可在不使用0°C冷端溫度的情況下計算得到熱端溫度。甚至冷端溫度不一定是恒定的。該方法僅僅使用一個獨立的溫度傳感器來測量TC點的溫度。如果已知TC，就能得到TH。
如果我們使用溫度傳感器測量冷端溫度，那么為什么不使用這個傳感器直接測量熱端的溫度呢？您可以看到，冷端溫度范圍比熱端溫度范圍窄得多，所以溫度傳感器不需要支持熱電偶支持的極端溫度。
利用CJC計算熱端溫度
如上所述，所有標準熱電偶參考表都是在冷端為0°C時得到的。那么如何利用參考表得到熱端溫度呢？試想一下，將以上熱電偶的開路端延長，假想端點連接至溫度為0°C的結點(圖6)。如果我們能夠計算得到V0值，利用參考表就很容易得到對應的熱端溫度。
圖6：將延長后的熱電偶連接到0°C結點，即可確定未知熱端溫度TH
確定V0
(式11)重新整理上式：
(式12)
(式13)
(式14)式13的第一項與式10 (由圖5得到)完全相同。等效電壓輸出為VC，為已知值，因為冷端的溫度是由電壓表測得的。第二項等效于熱電偶在熱端溫度等于TC、冷端溫度等于0°C時的輸出。 由于TC也是由獨立的溫度傳感器測得的，我們可使用標準參考表查找得到式13中第二項的對應塞貝克電壓(Vi)：
(式15)利用該V0值，即可通過標準參考表確定TH時的對應溫度。
利用冷端補償計算熱端溫度的過程分為以下幾步：
標準熱電偶參考表可參見NIST ITS-90熱電偶數(shù)據庫。如果因為內存或其它原因無法在微控制器中實現(xiàn)查找表，NIST ITS-90網站也針對每種熱電偶類型提供了一組公式，可用于溫度和電壓之間的相互轉換。
系統(tǒng)設計要點
至此，以上討論僅限于熱電偶的理論知識。為優(yōu)化實際系統(tǒng)的精度，有幾個事項需要注意。基本熱電偶信號鏈(圖7)中的每個器件都將影響轉換精度，必須嚴格挑選，以將誤差降至最低。
圖7：熱電偶測量系統(tǒng)的基本元件包括放大器和ADC，以及之后可計算未知溫度的微控制器。
從圖7的左側開始，熱電偶連接至系統(tǒng)電路板的連接器。熱電偶本身也是傳感器，也可能是誤差源。較長的熱電偶很容易拾取周圍環(huán)境的電磁噪聲；屏蔽線可有效降低噪聲。 接下來的元件是放大器，它具有高輸入阻抗非常重要，因為放大器的輸入阻抗和熱電偶電阻形成一個分壓器。放大器輸入阻抗越高，產生的誤差越小。
(式16)此外，放大器增大熱電偶輸出，熱電偶輸出通常為毫伏范圍。盡管放大器的高閉環(huán)增益同時放大信號和噪聲，但在ADC輸入上增加低通濾波器可消除大部分噪聲。因為溫度變化不會非?？?，此類應用的ADC轉換率一般非常低——可能每秒只采樣幾次，所以低通濾波器非常有效。
最后，板載溫度傳感器需要非?？拷涠诉B接器(理想情況是與熱電偶絲的末端接觸，但許多情況下條件不允許)，獲得最好的冷端溫度測量結果。冷端測量中的任何誤差都將體現(xiàn)在熱端溫度計算中。
熱電偶電路實例及測試結果
無論設計自己的熱電偶測量電路還是采用參考設計，都需要驗證其精度。以下介紹MAXREFDES67#參考設計(圖8)的精度驗證。
圖8：MAXREFDES67#是用于熱電偶和RTD的參考設計，可測量電壓和電流，進而測量溫度，測量溫度范圍為-40°C至150°C。
為了舉例說明如何最大程度減小測量誤差，我們首先以熱電偶系統(tǒng)為例，例如Maxim的MAXREFDES67參考設計。為了驗證該測量系統(tǒng)或任何測量系統(tǒng)的誤差，需要一個已知溫度和值得信賴的儀表，用于比較。本例中，我們使用三個參考溫度計：Omega HH41測溫儀(現(xiàn)在被HH42取代)、ETI參考溫度計和Fluke 724溫度校準器。 連接到MAXREFDES67#的K型熱電偶置于Fluke 7341校準爐中，并在20°C下進行校準。藍點數(shù)據以Omega HH41作為參考，綠點數(shù)據使用ETI設備為參考。紅點數(shù)據顯示的最大誤差小于0.1°C，基于Fluke 724校準器，但與之前測試不同的是，F(xiàn)luke 724未用作參考儀器。模擬理想K型熱電偶輸出，并將MAXREFDES67#的輸入與熱電偶延長線相連。圖9所示為測試結果。
圖9. 利用Omnitec EC3TC(K型熱電偶，在20°C下經過校準),評估MAXREFDES67#的誤差與溫度關系，并將其與其它三款參考測溫儀進行比較。結果表明達到了非常高的精度。
圖10：MAXREFDES67#參考設計框圖。
總結
熱電偶在工業(yè)溫度測量應用領域具有諸多優(yōu)勢，包括溫度范圍、響應時間、成本和耐久性。熱電偶理論略微有些復雜，但我們必須完全理解，從而能夠進行正確測量以及從電壓到溫度的高精度轉換。MAXREFDES67#參考設計采用MAX11254和MAX6126這兩款芯片，特別適合于熱電偶測溫這種噪聲敏感的小信號，高精度的測量應用。其中，MAX11254為6通道、24位、Δ-Σ ADC，在實現(xiàn)低噪聲高精度的同時降低了10倍功耗；MAX6126是一款超低噪聲、超高精度、低壓差的串聯(lián)型電壓基準，溫度系數(shù)為3ppm/°C (最大)，具有出色的±0.02% (最大)初始精度。
推薦閱讀：
從儲能、阻抗兩種不同視角解析電容去耦原理
數(shù)字電路PCB設計中的EMC/EMI控制技術
較簡單二極管更靈敏的AM檢波器設計
從硬件到算法，單目視覺ADAS背后有哪些技術原理及難點？
細談去耦合對電磁兼容的影響
