自20世紀初期以來，熱電偶就被廣泛應用於關鍵的溫度測量

，特別是極高溫領域。對於許多工業和過程關鍵應用，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複性
，但相對而言

，熱電偶具有如下優勢：



然(ran)而(er)
，利(li)用(yong)熱(re)電(dian)偶(ou)進(jin)行(xing)高(gao)精(jing)度(du)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)可(ke)能(neng)比(bi)較(jiao)複(fu)雜(za)。您(nin)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)堅(jian)實(shi)的(de)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)和(he)校(xiao)準(zhun)來(lai)優(you)化(hua)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)，但(dan)理(li)解(jie)熱(re)電(dian)偶(ou)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)有(you)助(zhu)於(yu)設(she)計(ji)電(dian)路(lu)或(huo)使(shi)用(yong)溫(wen)度(du)計(ji)。

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
，金屬絲發熱，造成一部分能量損耗。托馬斯·塞貝克在1821年發現的塞貝克效應則是一種反向現象：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)weisaibeikexishu。saibeikexishuyucailiaoxiangguan，bingqieyeshiwendudehanshu。yiduanjinshusishanglianggebutongwendudianzhijiandedianyadengyusaibeikexishuhanshuzaiwendushangdejifen。

     (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也等於：

     (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。


熱電偶由兩種不同的金屬組成，金屬絲的塞貝克係數S(T)一般不同。既然一種金屬上的溫度差即可產生電壓差，為什麼必須使用兩種金屬呢？假設圖2中的金屬絲是由材料“A”製成的。如果一塊電壓表的探頭也是由材料A製成的，理論上說
，電壓表將檢測不到任何電壓。


原因是當探頭連接到金屬絲末端時，相當於將金屬絲延長了。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上累積的電壓。

     (式6)

根據積分的可加性，上式變為：

     (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，那麼：

    (式8)

將上式簡化
，我們得到：

    (式9)

式9表明
，測量電壓等於兩種材料的塞貝克係數函數之差的積分。這就是熱電偶使用兩種異金屬的原因。




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，並且能夠自我調節溫度。等效電路如見圖4所示。

盡管我們知道圖4所示電路的參考溫度，但通過積分來得到TH不太切合實際。於是出現了支持常見熱電偶類型的標準參考表，通過查表即可得到相應電壓輸出的對應溫度。但是，必須牢記一點：所有標準熱電偶參考表都是以0°C作為參考點繪製的。

熱電偶係統

現代熱電偶由一端(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)


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(ru)果(guo)我(wo)們(men)使(shi)用(yong)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)測(ce)量(liang)冷(leng)端(duan)溫(wen)度(du)
，那(na)麼(me)為(wei)什(shen)麼(me)不(bu)使(shi)用(yong)這(zhe)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)直(zhi)接(jie)測(ce)量(liang)熱(re)端(duan)的(de)溫(wen)度(du)呢(ne)？您(nin)可(ke)以(yi)看(kan)到(dao)
，冷(leng)端(duan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)比(bi)熱(re)端(duan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)窄(zhai)得(de)多(duo)，所(suo)以(yi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)需(xu)要(yao)支(zhi)持(chi)熱(re)電(dian)偶(ou)支(zhi)持(chi)的(de)極(ji)端(duan)溫(wen)度(du)。

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。那麼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。


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。第二項等效於熱電偶在熱端溫度等於TC、冷端溫度等於0°C時的輸出。 由於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熱電偶數據庫。如果因為內存或其它原因無法在微控製器中實現查找表，NIST ITS-90網站也針對每種熱電偶類型提供了一組公式
，可用於溫度和電壓之間的相互轉換。

係統設計要點

至此
，以上討論僅限於熱電偶的理論知識。為優化實際係統的精度，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。

　　

從圖7的de左zuo側ce開kai始shi
，熱re電dian偶ou連lian接jie至zhi係xi統tong電dian路lu板ban的de連lian接jie器qi。熱re電dian偶ou本ben身shen也ye是shi傳chuan感gan器qi
，也ye可ke能neng是shi誤wu差cha源yuan。較jiao長chang的de熱re電dian偶ou很hen容rong易yi拾shi取qu周zhou圍wei環huan境jing的de電dian磁ci噪zao聲sheng；屏蔽線可有效降低噪聲。 接jie下xia來lai的de元yuan件jian是shi放fang大da器qi，它ta具ju有you高gao輸shu入ru阻zu抗kang非fei常chang重zhong要yao，因yin為wei放fang大da器qi的de輸shu入ru阻zu抗kang和he熱re電dian偶ou電dian阻zu形xing成cheng一yi個ge分fen壓ya器qi。放fang大da器qi輸shu入ru阻zu抗kang越yue高gao
，產chan生sheng的de誤wu差cha越yue小xiao。

     (式16)

此外
，放大器增大熱電偶輸出，熱電偶輸出通常為毫伏範圍。盡管放大器的高閉環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常快
，此類應用的ADC轉換率一般非常低——可能每秒隻采樣幾次，所以低通濾波器非常有效。

最後
，板載溫度傳感器需要非常靠近冷端連接器(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。


為了舉例說明如何最大程度減小測量誤差，我們首先以熱電偶係統為例
，例如Maxim的MAXREFDES67cankaosheji。weileyanzhenggaiceliangxitonghuorenheceliangxitongdewucha，xuyaoyigeyizhiwenduhezhidexinlaideyibiao，yongyubijiao。benlizhong，womenshiyongsangecankaowenduji：Omega HH41測溫儀(現在被HH42取代)、ETI參考溫度計和Fluke 724溫度校準器。 連接到MAXREFDES67#的K型熱電偶置於Fluke 7341校準爐中，並在20°C下進行校準。藍點數據以Omega HH41作為參考，綠點數據使用ETI設備為參考。紅點數據顯示的最大誤差小於0.1°C
，基於Fluke 724校準器，但與之前測試不同的是
，Fluke 724未用作參考儀器。模擬理想K型熱電偶輸出，並將MAXREFDES67#的輸入與熱電偶延長線相連。圖9所示為測試結果。




總結

熱電偶在工業溫度測量應用領域具有諸多優勢
，包括溫度範圍、響應時間
、成本和耐久性。熱電偶理論略微有些複雜，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，特別適合於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、低壓差的串聯型電壓基準，溫度係數為3ppm/°C (最大)，具有出色的±0.02% (最大)初始精度。




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