熱電偶是一種常見類型的溫度傳感器，用于從實驗室測試臺到工業(yè)環(huán)境的各種應(yīng)用。然而，對于許多類型的傳感器通常也是這種情況，使用熱電偶獲取精確數(shù)據(jù)可能具有挑戰(zhàn)性。本應(yīng)用指南介紹了如何構(gòu)建熱電偶以及它們?nèi)绾喂ぷ鞯奈锢肀尘埃峁┝艘环N有助于讀者提高讀數(shù)準(zhǔn)確性的理解。
如何創(chuàng)建熱電偶
形成“熱”和“冷”結(jié)的兩個不同導(dǎo)體的組合產(chǎn)生熱電偶（圖1）。在不同溫度下維持兩個結(jié)產(chǎn)生電動勢（EMF），也稱為熱電電壓。EMF在毫伏范圍內(nèi)測量，是稱為塞貝克效應(yīng)的物理現(xiàn)象的產(chǎn)物，其描述了熱電偶材料產(chǎn)生的電壓以及熱接點和冷接點之間的溫差。
如果這些變量中的任何一個未知，則無法確定熱電偶感應(yīng)結(jié)處的溫度。 等式2顯示了用于測量熱電偶熱結(jié)溫度的更新計算，并考慮了上述參數(shù)：
沿?zé)犭娕季€路的串聯(lián)電阻 -由于熱電偶是導(dǎo)體，導(dǎo)體或連接電路中的寄生電阻可能會影響信號。如果引線太長或太薄，則總串聯(lián)電阻可能會在EMF到達(dá)冷端之前導(dǎo)致信號劣化。解決此問題的一種方法是使用稱為“延伸等級”的特殊類型的熱電偶線，其設(shè)計用于將熱電電路承載更長的距離。
熱電偶類型 -每種熱電偶類型都有指定的溫度測量范圍。給定的熱電偶必須能夠承受其應(yīng)用的環(huán)境條件。K型熱電偶具有廣泛的操作和廉價的結(jié)構(gòu)，是一些最常用的類型。某些熱電偶解決方案僅適用于給定的熱電偶類型。
數(shù)字轉(zhuǎn)換器等集成解決方案可配置為支持所有常見的熱電偶類型。
圖1.基本熱電偶。
等式1提供了塞貝克效應(yīng)的線性近似。
ΔV= S×（T h - T c）
ΔV：兩種不同金屬之間的電壓差
S：以V / K表示的塞貝克系數(shù)（通常以μV/°C為單位）
T h - T c：冷端和冷端之間的溫差
塞貝克系數(shù)特定于用于構(gòu)造熱電偶的兩個導(dǎo)體。它對溫度具有非線性依賴性。使用塞貝克效應(yīng)的線性近似會產(chǎn)生顯著的測量誤差?，F(xiàn)代熱電偶測量技術(shù)應(yīng)考慮這種非線性。重要的是要理解溫度測量不能僅由熱電偶產(chǎn)生的EMF確定。相反，必須知道以下三個參數(shù)：
1、由熱和冷結(jié)之間的熱梯度引起的熱電電壓
2、熱電偶類型
2、熱電偶類型
3、冷結(jié)溫度
如果這些變量中的任何一個未知，則無法確定熱電偶感應(yīng)結(jié)處的溫度。 等式2顯示了用于測量熱電偶熱結(jié)溫度的更新計算，并考慮了上述參數(shù)：
T h：熱結(jié)溫度，單位為°C
T c：冷結(jié)溫度，單位為°C
a（T c）：塞貝克系數(shù)是T c的函數(shù)，單位為μV/°C
影響熱電偶讀數(shù)準(zhǔn)確度的因素
牢記基本原理可以更容易地理解可能影響熱電偶測量精度的因素。利用上述三個必要參數(shù)，從熱電偶產(chǎn)生熱結(jié)溫測量相對容易。然而，用于獲取這些參數(shù)的方法可能在測量中引入不準(zhǔn)確性。以下因素可能會影響不同測量階段的溫度讀數(shù)，并且會有不同程度的影響：
1、熱電偶特性
2、冷結(jié)測量
3、嘈雜的環(huán)境
4、線性化
熱電偶特性
有時，熱電偶本身的問題會導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。這些問題可能會因熱電偶老化而發(fā)生。需要注意的一些常見問題包括：
熱結(jié)熱/電連接不良 -如果兩個導(dǎo)??體在熱結(jié)處沒有正確連接在一起，則可能產(chǎn)生錯誤的熱電電壓。裸線結(jié)，絕緣結(jié)和接地結(jié)是熱電偶中最常見的熱結(jié)類型。它們將在下面進(jìn)一步描述：
1、裸線熱電偶 -兩根引線可以不同方式連接在一起。引線可以絞合在一起，焊接在一起或焊接在一起。對于機(jī)械振動過大的應(yīng)用，不建議將引線扭絞在一起。對于高溫應(yīng)用，由于焊料回流的可能性，結(jié)不應(yīng)焊接在一起。冷焊引線通常是最佳選擇。
2、絕緣結(jié) -基于結(jié)的結(jié)構(gòu)，與裸線型熱電偶相比，絕緣結(jié)更具機(jī)械堅固性和耐腐蝕性。然而，因為沒有直接暴露于測量溫度的金屬表面，所以熱結(jié)的熱阻增加。這會降低熱電偶對溫度變化的響應(yīng)速度。因此，如果需要對溫度變化做出快速響應(yīng)，則不建議使用絕緣連接。在某些情況下，慢響應(yīng)可能是有利的，因為它有助于濾除“噪聲”。對于導(dǎo)熱系數(shù)低的材料（對于某些氣體來說常見），不建議使用絕緣結(jié)。
2、絕緣結(jié) -基于結(jié)的結(jié)構(gòu)，與裸線型熱電偶相比，絕緣結(jié)更具機(jī)械堅固性和耐腐蝕性。然而，因為沒有直接暴露于測量溫度的金屬表面，所以熱結(jié)的熱阻增加。這會降低熱電偶對溫度變化的響應(yīng)速度。因此，如果需要對溫度變化做出快速響應(yīng)，則不建議使用絕緣連接。在某些情況下，慢響應(yīng)可能是有利的，因為它有助于濾除“噪聲”。對于導(dǎo)熱系數(shù)低的材料（對于某些氣體來說常見），不建議使用絕緣結(jié)。
3、接地連接點 - 結(jié)構(gòu)類似于絕緣結(jié)熱電偶的結(jié)構(gòu)，其附加特征是結(jié)與保護(hù)套電連接。雖然結(jié)構(gòu)類型在機(jī)械上堅固并且防止腐蝕，但是由于與保護(hù)套的金屬連接（由于護(hù)套的熱質(zhì)量，它們?nèi)匀豢赡芎苈?，因此接地結(jié)具有比絕緣結(jié)更快的響應(yīng)時間。然而，由于熱電偶的尖端直接焊接到保護(hù)套上，整個表面都很容易受到影響。如果護(hù)套與電信號接觸，則會使來自熱電偶的EMF信號不可靠。這種副作用通常被忽略，使用接地連接的應(yīng)用需要仔細(xì)規(guī)劃。另一個重要的考慮因素是“接地”護(hù)套的電位可能與系統(tǒng)地電位的mV或甚至V不同。通常，需要隔離信號調(diào)理電路的電源。
沿?zé)犭娕季€路的串聯(lián)電阻 -由于熱電偶是導(dǎo)體，導(dǎo)體或連接電路中的寄生電阻可能會影響信號。如果引線太長或太薄，則總串聯(lián)電阻可能會在EMF到達(dá)冷端之前導(dǎo)致信號劣化。解決此問題的一種方法是使用稱為“延伸等級”的特殊類型的熱電偶線，其設(shè)計用于將熱電電路承載更長的距離。
用于構(gòu)造熱電偶的低等級材料 - 一些較便宜的熱電偶由低冶金級配材料制成。使用這些材料可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)不同地影響每批金屬，產(chǎn)生可變的塞貝克系數(shù)。
沿著引線長度的電隔離問題 -如果使用錯誤類型的絕緣或劣質(zhì)絕緣來分離熱電偶的兩根引線，則可能出現(xiàn)幾個問題。在高溫應(yīng)用中，如果使用非耐溫類型的絕緣材料，絕緣層會熔化，導(dǎo)致暴露在引線上。絕緣部分的斷裂也可能暴露熱電偶引線。一旦熱電偶引線暴露于元件，它們可能會腐蝕，導(dǎo)致短路或線路故障，或?qū)⑵渌娦盘栆刖€路。正極和負(fù)極引線也可能短路在一起，這會產(chǎn)生過早的熱結(jié)，仍然會給出錯誤位置的溫度讀數(shù)。
熱電偶類型 -每種熱電偶類型都有指定的溫度測量范圍。給定的熱電偶必須能夠承受其應(yīng)用的環(huán)境條件。K型熱電偶具有廣泛的操作和廉價的結(jié)構(gòu)，是一些最常用的類型。某些熱電偶解決方案僅適用于給定的熱電偶類型。
數(shù)字轉(zhuǎn)換器等集成解決方案可配置為支持所有常見的熱電偶類型。
上面的列表提供了一些常見問題，這些問題可能導(dǎo)致基于熱電偶選擇的精度損失。但是，即使選擇了良好的熱電偶，也無法防止某些錯誤。
測量冷結(jié)溫度
使用熱電偶獲得熱結(jié)溫時，實現(xiàn)精確的冷端溫度測量至關(guān)重要。為了保持一致且已知的0°C溫度，傳統(tǒng)的冷端將在冰冷的水浴中冷卻（因此稱為“冷端”）。MAX31856等現(xiàn)代熱電偶數(shù)字IC采用冷端補(bǔ)償，通過計算和溫度測量來補(bǔ)償冷端溫度的影響。溫度傳感器通常用于測量冷端溫度。
使用人工冷端補(bǔ)償時，準(zhǔn)確性的一個重要考慮因素是將溫度傳感器盡可能靠近真正的冷端。另外，請確保冷端和測量IC的溫度相同。一種方法是通過最大化兩個裝置之間的導(dǎo)熱性并將它們遠(yuǎn)離任何熱源。無論熱電偶引線是直接焊接到電路板還是通過接線端子連接，最小化引線和溫度傳感器之間的熱梯度都可以提高所有溫度讀數(shù)的準(zhǔn)確度。
解決嘈雜的環(huán)境問題
由于熱電偶產(chǎn)生的信號很小，熱電偶測量很容易受到噪聲的影響。沿著引線長度的磁通量差異或暴露于電磁干擾（EMI）會在熱電偶信號中產(chǎn)生噪聲。熱電偶通常用于工業(yè)環(huán)境中，這些環(huán)境充滿了將噪聲引入信號的機(jī)會。噪聲的常見來源是磁場的磁通差異來自60Hz或50Hz的線路噪聲，具體取決于國家。這些場沿?zé)犭娕嫉囊€引入電流，并可能將誤差引入信號。為了解決這個問題，MAX31856等IC實現(xiàn)了包括內(nèi)部濾波器的設(shè)計，其中可配置的陷波頻率為50Hz或60Hz。
對于更高的頻率，可以使用鐵氧體磁珠和差分濾波器來降低耦合到熱電偶引線中的噪聲。在正極和負(fù)極引線之間安裝一個100nF差分電容，盡可能靠近人工冷端，有助于減輕熱電偶線路中產(chǎn)生的一些噪聲。在具有較高噪聲水平的應(yīng)用中，尤其是高強(qiáng)度RF場，應(yīng)在每個引線和地之間放置額外的10nf電容。
圖2.熱電偶輸入上帶有濾波電容的熱電偶IC。
電源耦合噪聲可能出現(xiàn)在熱電偶測量中。為了盡量減少此類噪聲的影響，可以將0.1μF陶瓷旁路電容盡可能靠近DVDD和AVDD引腳和GND放置。這樣做有助于防止電源電壓尖峰影響溫度轉(zhuǎn)換。圖2顯示了MAX31856熱電偶檢測IC的典型應(yīng)用電路，濾波電容應(yīng)用于熱電偶輸入。另外，在可能的情況下扭轉(zhuǎn)熱電偶線會使電容耦合噪聲不會出現(xiàn)作為差分噪聲電壓項。
支持多種轉(zhuǎn)換方法
如前所述，任何熱電偶類型的塞貝克系數(shù)取決于熱電偶的溫度，這會產(chǎn)生電壓與溫度的非線性傳遞函數(shù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）維護(hù)著一個公布的電壓 - 溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫，用于校準(zhǔn)和測試每種熱電偶類型。該數(shù)據(jù)庫包括幾種不同的轉(zhuǎn)換方法。一種方法是電壓 - 溫度查找表，其將差分熱電電壓映射到每個熱電偶類型的整個溫度范圍內(nèi)的溫度值（假設(shè)冷端溫度為0°C）。另一種方法是第 9 或第 10 系列- 用于將電壓轉(zhuǎn)換為溫度或溫度轉(zhuǎn)換為電壓的有序多項式方程。
在大多數(shù)應(yīng)用中，ADC將原始熱電偶電壓數(shù)字化后，ADC輸出代碼必須通過查找表或多次浮點計算轉(zhuǎn)換為溫度讀數(shù)。在大溫度范圍內(nèi)使用查找表會占用大量內(nèi)存。另一方面，執(zhí)行許多浮點計算會在低成本微控制器應(yīng)用中消耗大量處理能力。允許任何類型的轉(zhuǎn)換方法，提供靈活性。它具有內(nèi)部查找表，可提供線性化和冷端補(bǔ)償溫度讀數(shù)，或能夠讀回原始ADC結(jié)果，以便在微控制器固件中進(jìn)一步處理和過濾。
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