熱電偶――每一個(gè)模擬設計人員都應該熟知的組件

或許您從來(lái)都沒(méi)有使用過(guò)熱電偶，假設您沒(méi)有必要知道其工作原理，但我不同意這一觀(guān)點(diǎn)。我相信花上十分鐘閱讀相關(guān)資料是非常值得的。如果您已經(jīng)非常熟悉其工作原理了，那么在我做錯的時(shí)候請告知我。

熱電偶是由兩種不同金屬制成的溫度測量傳感器。它們有可能是銅制的或鐵制的，也可能是由特殊的金屬混合物制成的。不同金屬材質(zhì)的兩根導線(xiàn)在一個(gè)結點(diǎn)處相連接(這給我們提供了第一個(gè)重要的點(diǎn))——在節點(diǎn)處沒(méi)有電壓，這和您要連接的任何兩根導線(xiàn)一樣，在連接處不會(huì )產(chǎn)生電壓。

現在我們知道了：當導體的一端與其另一端的溫度不一樣時(shí)，在導線(xiàn)的兩端就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)電壓。沒(méi)錯這是真的!無(wú)論該導線(xiàn)的電阻如何其只表現為電壓而沒(méi)有電流流動(dòng)——這就是塞貝克效應。如果我們使用兩種不同的金屬，那么將會(huì )產(chǎn)生兩個(gè)不同的電壓，并且二者的電壓差可以在開(kāi)路末端測量到，請參見(jiàn)圖 1。請注意，如果您想測量出相同金屬單根導線(xiàn)的絕對塞貝克電壓， 那么您所測量的導線(xiàn)會(huì )產(chǎn)生相相同的電壓，測量值為零。您只能測量不同導線(xiàn)對之間的差。

在完成該測量過(guò)程中，您需要在測量端創(chuàng )建一個(gè)或兩個(gè)以上的結點(diǎn)(如果兩根導線(xiàn)都不是銅導線(xiàn)的話(huà)就要創(chuàng )建兩個(gè)結點(diǎn))。我們稱(chēng)之為冷結點(diǎn)，這是因為一般而言(并非經(jīng)常)在進(jìn)行測量的一端的溫度比沒(méi)有進(jìn)行測量的那一端的溫度會(huì )高些。

熱電偶只測量溫差。請注意，在圖 1 中您測量了兩種示例情況下的相同電壓。熱結點(diǎn)和冷結點(diǎn)間 100°C 的溫差將產(chǎn)生 4.1mV 的電壓。獲取熱端絕對溫度測量的老式方法是將冷結點(diǎn)浸入一個(gè)冰冷的水中(這是被稱(chēng)作冷結點(diǎn)的另一個(gè)原因)。已發(fā)布的熱電偶參數表假設冷結點(diǎn)為 0°C。

如果您想知道熱結點(diǎn)的絕對溫度但不想用冷水浸沒(méi)法的話(huà)，您就必須要知道冷結點(diǎn)的溫度。該測量可以使用諸如 TMP20 或ADS1118 (與A/D轉換器配合)、thermistor、RTD或其他可以測量絕對溫度(而非相對溫度)的半導體傳感器完成。根據測量的冷結點(diǎn)溫度(請參見(jiàn)圖 2)一個(gè)與熱電偶系數相同的電壓被加了進(jìn)來(lái)。這一工作可以以模擬形式完成也可以以數字形式完成，稱(chēng)為冷結點(diǎn)補償。如果冷結點(diǎn)為0°C，那么這一合計的結果就是將會(huì )產(chǎn)生的電壓。

如果在冷結點(diǎn)處您需要一個(gè)絕對溫度傳感器，為什么不只使用該傳感器來(lái)測量熱端呢?熱電偶可以測量很寬泛的溫度范圍：低溫度測量到高達 1800°C 以上的高溫測量，具體取決于不同的類(lèi)型。這或許會(huì )有其他好處，具體取決于應用。

如果所有導線(xiàn)都產(chǎn)生相同的電壓，為什么在我們的電路中不能屢屢看到該效應呢?在電子應用的正常溫度下，電壓很低并且我們通常使用相同或具有相對低塞貝克系數的相似的導體。當我們使用不同金屬時(shí)，兩個(gè)結點(diǎn)的溫度通常會(huì )是一樣的。

如果您要測量微小的 DC 電壓，則您需要特別小心。例如，我們測量高精度斬波放大器的失調電壓時(shí)，我們就必須要選擇我們諸如連接器的組件和材料，并精心布線(xiàn)。機械布局必須假設不同導體的結溫與其他導體相近并且為熱耦。我們使用鎖存繼電器以最小化熱量并保持其他熱源不成為低電平電路。正確測量一些微電壓是一項復雜的工作，且附帶的熱電偶通常是準確度的最終極限。