熱電偶：基本原理與設計要點(diǎn)

　　自20世紀初期以來(lái)，熱電偶就被廣泛應用于關(guān)鍵的溫度測量，特別是極高溫領(lǐng)域。對于許多工業(yè)和過(guò)程關(guān)鍵應用，T/C和RTD（電阻溫度檢測器）已經(jīng)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：

　　• 量程較大

　　• 響應時(shí)間較快

　　• 成本較低

　　• 耐久性較好

　　• 自供電（無(wú)需激勵信號）

　　• 無(wú)自熱效應

　　然而，利用熱電偶進(jìn)行高精度溫度測量可能比較復雜。您可以通過(guò)堅實(shí)的電路設計和校準來(lái)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(gè)電壓源時(shí)，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(shí)，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)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。塞貝克系數與材料相關(guān)，并且也是溫度的函數。一段金屬絲上兩個(gè)不同溫度點(diǎn)之間的電壓等于塞貝克系數函數在溫度上的積分。

（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(diǎn)的溫度。T1 （藍色）表示最低溫度點(diǎn)，T3（紅色）表示最高溫度點(diǎn)。T2和T1之間的電壓為：

　　
（式3）

　　類(lèi)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(shí)，要牢記這一點(diǎn)。

圖1：根據塞貝克系數，溫度梯度在傳導性金屬上產(chǎn)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S（T）一般不同。既然一種金屬上的溫度差即可產(chǎn)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(shuō)，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(shí)，將不存在電勢差。

　　原因是當探頭連接到金屬絲末端時(shí)，相當于將金屬絲延長(cháng)了。長(cháng)金屬絲的兩個(gè)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(gè)末端的溫度相同，則不會(huì )產(chǎn)生電壓。 為了在數學(xué)上證明這一點(diǎn)，我們計算從電壓表正端到負端的整個(gè)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?/p>

　　
（式7）

　　當積分的下邊界和上邊界相同時(shí)，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(jiǎn)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函數之差的積分。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(shuō)明了塞貝克系數的物理現實(shí)。

　　Material A： 材料A

　　Material B： 材料B

　　Voltmeter： 電壓表

　　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(diǎn)爐作為參考溫度（術(shù)語(yǔ)“冷端”由此而來(lái)），因為這種方法的成本低、容易實(shí)現，并且能夠自我調節溫度。等效電路如見(jiàn)圖4所示。

　　
圖4：熱電偶需要一個(gè)參考溫度，圖中所示的0°C，以便計算未知溫度TH。

　　盡管我們知道圖4所示電路的參考溫度，但通過(guò)積分來(lái)得到TH不太切合實(shí)際。于是出現了支持常見(jiàn)熱電偶類(lèi)型的標準參考表，通過(guò)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(diǎn)：所有標準熱電偶參考表都是以0°C作為參考點(diǎn)繪制的。

　　熱電偶系統

　　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(kāi)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：采用冷端補償的現代熱電偶配置。

　　冷端補償

　　冷端補償冷端（TC）溫度可設定為冰點(diǎn)爐的0°C，但在實(shí)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(gè)獨立的溫度傳感器來(lái)測量TC點(diǎn)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(gè)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(shí)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(kāi)路端延長(cháng)，假想端點(diǎn)連接至溫度為0°C的結點(diǎn)（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(cháng)后的熱電偶連接到0°C結點(diǎn)，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(shí)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(guò)標準參考表確定TH時(shí)的對應溫度。

　　利用冷端補償計算熱端溫度的過(guò)程分為以下幾步：

　　• 利用溫度傳感器測量冷端溫度（TC）。

　　• 測量冷端溫度。

　　• 通過(guò)標準參考表將TC轉換為電壓（Vi）。

　　• 計算 V0=Vi+VC.

　　• 通過(guò)標準參考表將V0轉換為溫度TH。

　　標準熱電偶參考表可參見(jiàn)NIST ITS-90熱電偶數據庫。如果因為內存或其它原因無(wú)法在微控制器中實(shí)現查找表，NIST ITS-90網(wǎng)站也針對每種熱電偶類(lèi)型提供了一組公式，可用于溫度和電壓之間的相互轉換。

　　系統設計要點(diǎn)

　　至此，以上討論僅限于熱電偶的理論知識。為優(yōu)化實(shí)際系統的精度，有幾個(gè)事項需要注意?；緹犭娕夹盘栨湥▓D7）中的每個(gè)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。

　　System board： 系統電路板

　　Amplifier： 放大器

　　Temp sensor： 溫度傳感器

　　從圖7的左側開(kāi)始，熱電偶連接至系統電路板的連接器。熱電偶本身也是傳感器，也可能是誤差源。較長(cháng)的熱電偶很容易拾取周?chē)h(huán)境的電磁噪聲；屏蔽線(xiàn)可有效降低噪聲。 接下來(lái)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(gè)分壓器。放大器輸入阻抗越高，產(chǎn)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(shí)放大信號和噪聲，但在A(yíng)DC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(huì )非?？?，此類(lèi)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在熱端溫度計算中。

　　熱電偶電路實(shí)例及測試結果

　　無(wú)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(jìn)而測量溫度，測量溫度范圍為-40°C至150°C。

　　為了舉例說(shuō)明如何最大程度減小測量誤差，我們首先以熱電偶系統為例，例如Maxim的MAXREFDES67參考設計。為了驗證該測量系統或任何測量系統的誤差，需要一個(gè)已知溫度和值得信賴(lài)的儀表，用于比較。本例中，我們使用三個(gè)參考溫度計：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型熱電偶置于Fluke 7341校準爐中，并在20°C下進(jìn)行校準。藍點(diǎn)數據以Omega HH41作為參考，綠點(diǎn)數據使用ETI設備為參考。紅點(diǎn)數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，Fluke 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(cháng)線(xiàn)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(jīng)過(guò)校準），評估MAXREFDES67#的誤差與溫度關(guān)系，并將其與其它三款參考測溫儀進(jìn)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(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢，包括溫度范圍、響應時(shí)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(jìn)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(shí)現低噪聲高精度的同時(shí)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，溫度系數為3ppm/°C （最大），具有出色的±0.02% （最大）初始精度。