熱電偶溫度測量系統設計要點

需要精心設計和實現電路才能設計高精度熱電偶接口。第一步是了解這種廣泛使用的溫度傳感器的基本物理原理。

熱電偶（TC）發明于1921年，即將迎來百年紀念日，在許多應用中繼續提供有價值的溫度測量信息，尤其是那些涉及非常高溫度的應用。在眾多工業和過程關鍵應用中，TC和電阻溫度檢測器（RTD）已成為溫度測量的黃金標準。雖然RTD具有更好的精度和可重復性，但熱電偶的優勢包括：

更大的測量范圍，

更短的響應時間，

成本更低，

更好的耐久性，

自供電（無需激勵信號），以及

無自熱效應。

由于這些原因，熱電偶廣泛用于許多不同的應用。然而，使用熱電偶進行高精度溫度測量可能很棘手。本應用筆記討論了優化測量精度的方法。首先，讓我們描述一下熱電偶操作的基本原理。

熱電偶如何工作？

當在一塊金屬線上施加電壓源時，電子從正極端子流向負極端子，并且一些能量在加熱金屬線時損失。托馬斯·約翰·西貝克（Thomas Johann Seebeck）于1821年發現的塞貝克效應表明了一種相反的現象。當在金屬線上施加溫度梯度時，會產生電勢。這是熱電偶的物理基礎。

哪里？V是電壓的梯度，？T是溫度梯度，S（T）是塞貝克系數。塞貝克系數取決于材料，并且也隨溫度變化。導線上兩個不同溫度點的電壓等于塞貝克系數函數在整個溫度范圍內的積分。

圖1.通過溫度梯度在導電線上產生的電壓。

熱電偶由兩種不同的材料組成，通常是具有不同塞貝克系數函數S（T）的金屬線。當一種材料的溫差產生電壓差時，為什么兩種材料是必不可少的？例如，假設圖 2 中的金屬線由材料 A 制成。給定一個帶有探頭線的電壓表，也由材料 A 制成，理論上電壓表不會檢測到任何電壓。為什么？當探頭連接到導線的末端時，探頭的作用就像金屬線的延伸。連接到電壓表輸入端的這根長導線的兩端處于相同的溫度（TM).如果導線的兩端處于相同的溫度，則沿導線長度的溫差不會導致電壓差。為了在數學上證明這一點，我們計算了從電壓表的正端到負端的整個線環路上累積的電壓。

并且，當積分極限的下限和上限相同時，積分的結果為 V = 0。

圖2.電壓測量連接。探頭和電線由相同的材料制成。

如果探頭材料由材料B制成，如圖3所示。

上式顯示測量電壓等于兩種材料類型塞貝克系數函數之差的積分。這就是為什么熱電偶由兩種不同類型的金屬制成的原因。

圖3.電壓測量連接。探頭和電線由不同的材料制成。

從圖3和公式6（公式6）所示的電路來看，假設S一個（T）， SB（T），并且電壓表測量的電壓是已知的，除非知道TC結（冷結）的溫度，否則我們仍然無法計算TH結（熱結）的溫度。在熱電偶的早期，使用對應于0°C的冰浴作為參考溫度（因此稱為冷端），因為這種方法成本低，非常容易獲得，并且溫度自調節。等效電路如圖4所示。

圖4.圖3為冷端置于冰浴內的等效電路。

雖然我們知道圖3中電路的參考溫度，但求解熱結溫度（TH） 是不切實際的。標準參考表可用于所有常見類型的熱電偶，因此用戶可以查找溫度以獲取相應的電壓輸出。但請記住，所有標準熱電偶參考表均以0°C參考溫度列出。

現代熱電偶系統

如圖5所示，現代熱電偶由兩根連接在一端的不同金屬線組成。電壓在線對的開口端測量。等效電路如圖5所示。V外與我們之前在圖 3 中推導的等式完全相同。

圖5.現代熱電偶配置。

冷端補償

冷端（TC）溫度可以通過冰浴設置為0°C，但實際上沒有人會在任何現代電氣系統中使用一桶冰水。冷端補償方法可用于計算熱端溫度，而無需0°C冷端溫度，實際上冷端溫度甚至不必恒定。該方法僅使用單獨的溫度傳感器來測量冷端的溫度（TC).求熱結溫度（TH） 變為可能，當 TC是已知的。這對某些人來說可能聽起來很荒謬。如果我們有一個溫度傳感器來測量冷端溫度，為什么我們不能用這個溫度傳感器直接測量熱端的溫度呢？答案很簡單。冷端溫度范圍比熱端溫度窄得多，因此溫度傳感器不需要像熱電偶那樣維持極端溫度。

使用冷端補償計算熱端溫度

如上所述，所有標準熱電偶參考表都是在冷端保持在0°C的情況下生成的。 那么，在這種情況下，我們如何使用這些表格來找到熱結溫度呢？

想象一下，如果上述熱電偶的開口端如圖6所示得到擴展。并且，假想端連接到溫度為0°C的結點。如果我們能計算出V的值0，我們可以使用參考表輕松找到相應的熱結溫度。

圖6.具有假想擴展的熱電偶，連接到0°C結。

讓我們確定 V0:

等式10（等式10）的第一項與圖5推導的等式7（等式7）完全相同。因此，等效電壓輸出為 VC，這是一個已知值，因為冷端的電壓是由電壓表測量的。第二項相當于熱結溫度等于T的熱電偶的電壓輸出C冷端溫度等于0°C。 自 TC也正在通過單獨的溫度傳感器進行測量，我們可以使用標準參考表找到相應的塞貝克電壓（V我） 表示等式 10 的第二項（方程 10）。

現在我們知道了 V 的值0，對應的熱結溫度（TH） 可以用標準參考表確定。

以下步驟總結了使用冷端補償找到熱端溫度的過程。

測量冷端溫度（TC） 帶溫度傳感器。

測量冷端的電壓。

轉換 TC至電壓 （V我） 使用標準參考表。

計算 V0=V我+VC.

轉換 V0至熱結溫度（TH） 使用標準參考表。

標準熱電偶參考表可在NIST ITS-90熱電偶數據庫網站 http://srdata.nist.gov/its90/menu/menu.html（由美國商務部，美國國家標準與技術研究院）上找到。如果由于內存不足或任何其他原因而不希望在微控制器中實現查找表，NIST ITS-90網站還為每種熱電偶類型提供了一組公式，用于將溫度轉換為電壓，反之亦然。

優化熱電偶測量精度的系統設計要點

圖7.基本熱電偶系統框圖

到目前為止，該討論僅考慮了熱電偶理論;但是，為了優化實際系統中的精度，應考慮一些項目。圖7顯示了熱電偶信號鏈的基本模塊。每個器件都會影響轉換的精度，必須仔細選擇以盡量減少誤差。

從圖的左側開始，熱電偶連接到系統主板連接器。雖然熱電偶是傳感器本身，但它也可能是誤差源。長熱電偶很容易拾取周圍的電磁噪聲。屏蔽導線可以有效降低噪音。

下一個組件是放大器。選擇具有高輸入阻抗的放大器很重要，因為放大器的輸入阻抗和熱電偶電阻會產生分壓器效應，如公式13（公式13）所示。輸入阻抗越高，誤差越少。

此外，放大器還提升熱電偶輸出，通常在毫伏范圍內。雖然高閉環增益會放大信號和噪聲，但在ADC輸入端增加一個低通濾波器可消除大部分噪聲。低通濾波器非常有效，因為溫度測量應用的ADC轉換速率通常非常慢，可能每秒幾個樣本，因為溫度變化不是很快。

最后，板載溫度傳感器需要非?？拷涠诉B接器（理想情況下接觸熱電偶引線的末端，但在許多情況下是不可能的），以獲得冷端溫度的最佳測量值。冷端測量中的任何誤差都會反映在熱端溫度計算中。

熱電偶示例電路

更詳細的圖像。
圖8.通用輸入參考設計，可使用 RTD 或熱電偶測量電壓、電流和電壓。

MAXREFDES67#通用輸入參考設計（圖8）包含實現熱電偶溫度測量系統所需的所有元件。預加載的固件使用 NIST ITS-90 網站上的公式將 K 型熱電偶輸出轉換為溫度。測量溫度范圍為 -40°C 至 +150°C。 此外，該系統還能夠高精度地測量電壓、電流、溫度和RTD。

圖9.MAXREFDES67# 誤差與溫度的關系，使用 Omnitec EC3TC，K 型熱電偶，在 20°C 下校準。

圖9顯示了MAXREFDES67#熱電偶輸入端測得的溫度誤差與三個不同參考溫度計（Omega HH41溫度計、ETI參考溫度計和Fluke 724溫度校準器）的溫度。將 MAXREFDES67# 連接的 K 型熱電偶探頭放置在福祿克 7341 校準槽中，并在 20°C 下進行校準。 藍色數據使用歐米茄HH41溫度計作為參考。綠色數據使用ETI參考溫度計作為參考。紅色數據使用福祿克 724 溫度校準器作為參考。該設計顯示世界一流的熱電偶溫度測量值。

結論

將熱電偶用于工業溫度測量應用具有許多好處，包括溫度范圍、響應時間、成本和耐用性。通過此處概述的設計建議可以實現高精度測量系統。MAXREFDES67#是一個很好的例子，可幫助系統設計人員以前所未有的速度開發高精度熱電偶溫度測量。

審核編輯：郭婷