作者：Matthew Duff and Joseph Towey

熱電偶是一種簡(jiǎn)單、廣泛使用的用于測(cè)量溫度的元件。本文提供了熱電偶的基本概述，描述了使用熱電偶進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)遇到的常見挑戰(zhàn)，并提出了兩種信號(hào)調(diào)理解決方案。第一種解決方案將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理功能集成在單個(gè)模擬IC中，以方便易用;第二種解決方案將參考接合點(diǎn)補(bǔ)償與信號(hào)調(diào)理分離，以提供具有更大靈活性和精度的數(shù)字輸出溫度檢測(cè)。

熱電偶理論

圖1所示的熱電偶由兩根不同金屬線組成，一端連接在一起，稱為測(cè)量（“熱”）結(jié)。另一端，即導(dǎo)線未連接的地方，連接到信號(hào)調(diào)理電路走線，通常由銅制成。熱電偶金屬和銅走線之間的這種結(jié)稱為參考（“冷”）結(jié)。

圖1.熱電偶。

*我們使用術(shù)語(yǔ)“測(cè)量結(jié)”和“參考結(jié)”，而不是更傳統(tǒng)的“熱端”和“冷端”。傳統(tǒng)的命名系統(tǒng)可能會(huì)令人困惑，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用中，測(cè)量結(jié)可能比參考結(jié)冷。

參考接合點(diǎn)產(chǎn)生的電壓取決于測(cè)量接合點(diǎn)和參考接合點(diǎn)的溫度。由于熱電偶是差分器件而不是絕對(duì)溫度測(cè)量器件，因此必須知道參考結(jié)溫才能獲得準(zhǔn)確的絕對(duì)溫度讀數(shù)。此過(guò)程稱為參考端補(bǔ)償（冷端補(bǔ)償）。

熱電偶已成為以合理的精度經(jīng)濟(jì)高效地測(cè)量各種溫度的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法。它們用于鍋爐、熱水器、烤箱和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等高達(dá) +2500°C 的各種應(yīng)用。最受歡迎的熱電偶是K型，由鉻和鋁合金（分別含有鉻的商標(biāo)鎳合金以及鋁，錳和硅）組成，測(cè)量范圍為–200°C至+ 1250°C。??

為什么使用熱電偶？

優(yōu)勢(shì)

溫度范圍：大多數(shù)實(shí)用的溫度范圍，從低溫到噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，都可以使用熱電偶。根據(jù)所使用的金屬線，熱電偶能夠測(cè)量–200°C至+2500°C范圍內(nèi)的溫度。

堅(jiān)固耐用： 熱電偶是堅(jiān)固耐用的設(shè)備，不受沖擊和振動(dòng)的影響，適用于危險(xiǎn)環(huán)境。

快速響應(yīng)：由于熱電偶體積小且熱容量低，因此對(duì)溫度變化反應(yīng)迅速，尤其是在檢測(cè)結(jié)暴露的情況下。它們可以在幾百毫秒內(nèi)對(duì)快速變化的溫度做出反應(yīng)。

無(wú)自熱：由于熱電偶不需要激勵(lì)功率，因此它們不易自發(fā)熱，并且本質(zhì)安全。

弊

復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理：為了將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為可用的溫度讀數(shù)，需要進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理。傳統(tǒng)上，信號(hào)調(diào)理需要在設(shè)計(jì)時(shí)間上進(jìn)行大量投資，以避免引入降低精度的錯(cuò)誤。

精度：除了熱電偶由于其冶金特性而固有的不準(zhǔn)確性外，熱電偶測(cè)量的精度僅與可以測(cè)量的參考結(jié)溫一樣精確，傳統(tǒng)上在1°C至2°C范圍內(nèi)。

易腐蝕性：由于熱電偶由兩種不同的金屬組成，因此在某些環(huán)境中，隨著時(shí)間的推移腐蝕可能會(huì)導(dǎo)致精度下降。因此，他們可能需要保護(hù);護(hù)理和維護(hù)至關(guān)重要。

對(duì)噪聲的敏感性：當(dāng)測(cè)量微伏級(jí)信號(hào)變化時(shí)，雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)的噪聲可能是一個(gè)問(wèn)題。絞合熱電偶線對(duì)可以大大減少磁場(chǎng)拾取。在金屬導(dǎo)管和防護(hù)裝置中使用屏蔽電纜或?qū)Ь€可以減少電場(chǎng)拾取。測(cè)量設(shè)備應(yīng)通過(guò)硬件或軟件提供信號(hào)濾波，強(qiáng)烈抑制線路頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。

使用熱電偶測(cè)量的困難

將熱電偶產(chǎn)生的電壓轉(zhuǎn)換為精確的溫度讀數(shù)并不容易，原因有很多：電壓信號(hào)小，溫度-電壓關(guān)系非線性，需要參考結(jié)補(bǔ)償，以及熱電偶可能造成接地問(wèn)題。讓我們一一考慮這些問(wèn)題。

電壓信號(hào)小：最常見的熱電偶類型是J，K和T。在室溫下，它們的電壓分別在52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C變化。其他不太常見的類型隨溫度的變化電壓甚至更小。這種小信號(hào)在模數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要一個(gè)高增益級(jí)。表1比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

表 1.25°C時(shí)各種熱電偶類型的電壓變化與溫升
（塞貝克系數(shù)）。

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由于電壓信號(hào)很小，信號(hào)調(diào)理電路通常需要大約100左右的增益，這是相當(dāng)簡(jiǎn)單的信號(hào)調(diào)理。更困難的是將實(shí)際信號(hào)與熱電偶引線上拾取的噪聲區(qū)分開來(lái)。熱電偶引線很長(zhǎng)，經(jīng)常穿過(guò)電噪聲環(huán)境。引線上拾取的噪聲很容易壓倒微小的熱電偶信號(hào)。

通常結(jié)合兩種方法從噪聲中提取信號(hào)。第一種是使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來(lái)放大信號(hào)。由于大部分噪聲出現(xiàn)在兩根導(dǎo)線上（共模），因此差分測(cè)量可以消除噪聲。第二種是低通濾波，可消除帶外噪聲。低通濾波器應(yīng)消除可能導(dǎo)致放大器整流的射頻干擾（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz（電源）嗡嗡聲。將射頻干擾濾波器放在放大器之前（或使用具有濾波輸入的放大器）非常重要。50 Hz/60 Hz濾波器的位置通常并不重要，它可以與RFI濾波器結(jié)合使用，放置在放大器和ADC之間，作為Σ-Δ ADC的一部分，也可以在軟件中編程為平均濾波器。

參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：必須知道熱電偶參考結(jié)的溫度才能獲得準(zhǔn)確的絕對(duì)溫度讀數(shù)。當(dāng)首次使用熱電偶時(shí)，這是通過(guò)將參考結(jié)保持在冰浴中來(lái)完成的。圖2描述了一個(gè)熱電偶電路，其一端處于未知溫度，另一端在冰浴（0°C）中。該方法用于詳盡地表征各種熱電偶類型，因此幾乎所有熱電偶表都使用0°C作為參考溫度。

圖2.基本鐵-康銅熱電偶電路。

但是，對(duì)于大多數(shù)測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，將熱電偶的參考結(jié)保持在冰浴中是不切實(shí)際的。相反，大多數(shù)系統(tǒng)使用一種稱為參考端補(bǔ)償（也稱為冷端補(bǔ)償）的技術(shù)。參考結(jié)溫由另一個(gè)對(duì)溫度敏感的器件（通常是IC、熱敏電阻、二極管或RTD（電阻溫度檢測(cè)器））測(cè)量。然后對(duì)熱電偶電壓讀數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以反映參考結(jié)溫。盡可能準(zhǔn)確地讀取參考接合點(diǎn)非常重要，并且精確的溫度傳感器應(yīng)保持在與參考接合點(diǎn)相同的溫度。讀取參考結(jié)溫的任何錯(cuò)誤都將直接顯示在最終的熱電偶讀數(shù)中。

有多種傳感器可用于測(cè)量參考溫度：

熱敏電阻：響應(yīng)速度快，封裝小;但它們需要線性化且精度有限，尤其是在寬溫度范圍內(nèi)。它們還需要電流進(jìn)行激勵(lì)，這會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熱，導(dǎo)致漂移。當(dāng)與信號(hào)調(diào)理結(jié)合使用時(shí)，整體系統(tǒng)精度可能很差。

電阻溫度檢測(cè)器（RTD）：RTD精確、穩(wěn)定且線性合理，但封裝尺寸和成本限制了其在過(guò)程控制應(yīng)用中的使用。

遠(yuǎn)程熱二極管：二極管用于檢測(cè)熱電偶連接器附近的溫度。調(diào)理芯片將與溫度成比例的二極管電壓轉(zhuǎn)換為模擬或數(shù)字輸出。其精度限制在約±1°C。

集成溫度傳感器：集成溫度傳感器是在本地檢測(cè)溫度的獨(dú)立IC，應(yīng)小心地安裝在參考接合點(diǎn)附近，并且可以結(jié)合參考接合點(diǎn)補(bǔ)償和信號(hào)調(diào)理。精度可在 1°C 的一小部分以內(nèi)。

電壓信號(hào)是非線性的： 熱電偶響應(yīng)曲線的斜率隨溫度變化。例如，在0°C時(shí)，T型熱電偶輸出在39 μV/°C時(shí)變化，但在100°C時(shí)，斜率增加到47 μV/°C。

有三種常見的方法來(lái)補(bǔ)償熱電偶的非線性。

選擇曲線中相對(duì)平坦的部分，并將該區(qū)域的斜率近似為線性，這種方法特別適用于有限溫度范圍內(nèi)的測(cè)量。無(wú)需復(fù)雜的計(jì)算。K型和J型熱電偶受歡迎的原因之一是它們都具有較大的溫度范圍，靈敏度的增量斜率（塞貝克系數(shù)）保持相當(dāng)恒定（見圖3）。

圖3.熱電偶靈敏度隨溫度的變化。請(qǐng)注意，從41°C到0°C，K型的塞貝克系數(shù)大致恒定在約1000μV/°C。

另一種方法是在內(nèi)存中存儲(chǔ)一個(gè)查找表，該查找表將一組熱電偶電壓中的每一個(gè)與其各自的溫度相匹配。然后在表中兩個(gè)最近的點(diǎn)之間使用線性插值來(lái)獲取其他溫度值。

第三種方法是使用高階方程來(lái)模擬熱電偶的行為。雖然這種方法最準(zhǔn)確，但它也是計(jì)算量最大的。每個(gè)熱電偶有兩組方程。一組將溫度轉(zhuǎn)換為熱電偶電壓（用于參考結(jié)補(bǔ)償）。另一組將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度。熱電偶表和高階熱電偶方程可在 http://srdata.nist.gov/its90/main/ 中找到。表格和公式均基于0°C的參考結(jié)溫。 如果參考接合點(diǎn)處于任何其他溫度，則必須使用參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。

接地要求：熱電偶制造商為測(cè)量結(jié)制造帶有絕緣和接地尖端的熱電偶（圖 4）。

圖4.熱電偶測(cè)量結(jié)類型。

熱電偶信號(hào)調(diào)理的設(shè)計(jì)應(yīng)避免在測(cè)量接地?zé)犭娕紩r(shí)出現(xiàn)接地環(huán)路，但在測(cè)量絕緣熱電偶時(shí)，還應(yīng)為放大器輸入偏置電流提供路徑。此外，如果熱電偶尖端接地，則放大器輸入范圍應(yīng)設(shè)計(jì)為處理熱電偶尖端和測(cè)量系統(tǒng)接地之間的任何接地電位差異（圖 5）。

圖5.使用不同尖端類型時(shí)的接地選項(xiàng)。

對(duì)于非隔離系統(tǒng)，雙電源信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)通常更適合接地尖端和裸露尖端類型。由于其寬共模輸入范圍，雙電源放大器可以處理PCB（印刷電路板）接地與熱電偶尖端接地之間的大電壓差。如果放大器的共模范圍在單電源配置中具有一定的地電位以下測(cè)量能力，則單電源系統(tǒng)在所有三種尖端情況下都能令人滿意地工作。為了解決某些單電源系統(tǒng)中的共模限制，將熱電偶偏置至中間電平電壓很有用。這適用于絕緣熱電偶尖端，或者整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)是隔離的。但是，不建議用于設(shè)計(jì)用于測(cè)量接地或裸露熱電偶的非隔離系統(tǒng)。

實(shí)用的熱電偶解決方案：熱電偶信號(hào)調(diào)理比其他溫度測(cè)量系統(tǒng)更復(fù)雜。設(shè)計(jì)和調(diào)試信號(hào)調(diào)理所需的時(shí)間會(huì)增加產(chǎn)品的上市時(shí)間。信號(hào)調(diào)理誤差，尤其是參考接合點(diǎn)補(bǔ)償部分的誤差，會(huì)導(dǎo)致精度降低。以下兩種解決方案可解決這些問(wèn)題。

第一個(gè)詳細(xì)介紹了一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬集成硬件解決方案，將直接熱電偶測(cè)量與使用單個(gè)IC的參考結(jié)補(bǔ)償相結(jié)合。第二種解決方案詳細(xì)介紹了基于軟件的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償方案，該方案提高了熱電偶測(cè)量的精度，并靈活地使用多種類型的熱電偶。

測(cè)量解決方案 1：針對(duì)簡(jiǎn)單性進(jìn)行了優(yōu)化

圖6顯示了測(cè)量K型熱電偶的原理圖。它基于使用AD8495熱電偶放大器，該放大器專門設(shè)計(jì)用于測(cè)量K型熱電偶。該模擬解決方案針對(duì)最短的設(shè)計(jì)時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化：它具有簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈，無(wú)需軟件編碼。

圖6.測(cè)量解決方案1：針對(duì)簡(jiǎn)單性進(jìn)行了優(yōu)化。

這個(gè)簡(jiǎn)單的信號(hào)鏈如何滿足K型熱電偶的信號(hào)調(diào)理要求？

增益和輸出比例因子：小熱電偶信號(hào)由AD8495的122增益放大，輸出信號(hào)靈敏度為5 mV/°C（200°C/V）。

噪：高頻共模和差分噪聲由外部RFI濾波器消除。低頻共模噪聲由AD8495的儀表放大器抑制。任何剩余的噪聲都由外部柱后濾波器解決。

參考接合點(diǎn)補(bǔ)償：AD8495內(nèi)置一個(gè)溫度傳感器，用于補(bǔ)償環(huán)境溫度的變化，必須放置在基準(zhǔn)接合點(diǎn)附近，以保持兩者處于相同溫度，以實(shí)現(xiàn)精確的參考接合點(diǎn)補(bǔ)償。

非線性校正：AD8495經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，可在K型熱電偶曲線的線性部分提供5 mV/°C輸出，在–2°C至+25°C溫度范圍內(nèi)線性誤差小于400°C。如果需要超出此范圍的溫度，ADI公司應(yīng)用筆記AN-1087介紹了如何在微處理器中使用查找表或公式來(lái)擴(kuò)展溫度范圍。

處理絕緣、接地和裸露的熱電偶：圖5顯示了一個(gè)接地的1MΩ電阻，該電阻適用于所有熱電偶尖端類型。AD8495經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)，采用如圖所示的單電源供電時(shí)，能夠測(cè)量地電位以下幾百毫伏的電壓。如果預(yù)計(jì)接地差分更大，AD8495也可以采用雙電源供電。

有關(guān)AD8495的更多信息：圖7所示為AD8495熱電偶放大器的框圖。放大器A1、A2和A3以及所示電阻構(gòu)成儀表放大器，以適當(dāng)?shù)脑鲆娣糯驥型熱電偶的輸出，以產(chǎn)生5 mV/°C的輸出電壓。 標(biāo)有“參考結(jié)補(bǔ)償”的盒子內(nèi)是一個(gè)環(huán)境溫度傳感器。在測(cè)量結(jié)溫保持恒定的情況下，如果參考結(jié)溫因任何原因升高，來(lái)自熱電偶的差分電壓將降低。如果微型（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495與基準(zhǔn)接合點(diǎn)的熱接近，則基準(zhǔn)接合點(diǎn)補(bǔ)償電路會(huì)向放大器注入額外的電壓，使輸出電壓保持恒定，從而補(bǔ)償基準(zhǔn)溫度變化。

圖7.AD8495功能框圖

表2總結(jié)了使用AD8495的集成硬件解決方案的性能：

表 2.解決方案 1（圖 6）性能摘要

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測(cè)量解決方案 2：針對(duì)準(zhǔn)確性和靈活性進(jìn)行了優(yōu)化

圖8顯示了高精度測(cè)量J型、K型或T型熱電偶的原理圖。該電路包括一個(gè)用于測(cè)量小信號(hào)熱電偶電壓的高精度ADC和一個(gè)用于測(cè)量參考結(jié)溫的高精度溫度傳感器。兩款器件均使用來(lái)自外部微控制器的SPI接口進(jìn)行控制。

圖8.測(cè)量解決方案2：針對(duì)準(zhǔn)確性和靈活性進(jìn)行了優(yōu)化。

此配置如何滿足前面提到的信號(hào)調(diào)理要求？

消除噪聲并放大電壓： AD7793（如圖9所示）是一款高精度、低功耗模擬前端，用于測(cè)量熱電偶電壓。熱電偶輸出經(jīng)過(guò)外部濾波，并連接到一組差分輸入AIN1（+）和AIN1（–）。然后，信號(hào)通過(guò)多路復(fù)用器、緩沖器和儀表放大器（放大小熱電偶信號(hào)）路由到ADC，ADC將信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

圖9.AD7793功能框圖

補(bǔ)償參考結(jié)溫：ADT7320（詳見圖10）如果放置在足夠靠近基準(zhǔn)接合點(diǎn)的位置，則可以在–0°C至+2°C范圍內(nèi)精確測(cè)量至±10.85°C的參考結(jié)溫。 片內(nèi)溫度傳感器產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成比例的電壓，將其與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，并施加于精密數(shù)字調(diào)制器。調(diào)制器的數(shù)字化結(jié)果更新16位溫度值寄存器。然后可以使用SPI接口從微控制器回讀溫度值寄存器，并與ADC的溫度讀數(shù)相結(jié)合以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

圖 10.ADT7320功能框圖

正確的非線性度：ADT7320在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)（–40°C至+125°C）提供出色的線性度，無(wú)需用戶進(jìn)行校正或校準(zhǔn)。因此，其數(shù)字輸出可以被認(rèn)為是參考接合點(diǎn)狀態(tài)的準(zhǔn)確表示。

為了確定實(shí)際的熱電偶溫度，必須使用美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）提供的公式將此參考溫度測(cè)量值轉(zhuǎn)換為等效熱電電壓。然后將該電壓添加到AD7793測(cè)量的熱電偶電壓中;然后將求和轉(zhuǎn)換回?zé)犭娕紲囟龋俅问褂肗IST方程。

處理絕緣和接地?zé)犭娕迹?/strong>圖8顯示了一個(gè)帶有裸露尖端的熱電偶。這提供了最佳的響應(yīng)時(shí)間，但相同的配置也可以與絕緣尖端熱電偶一起使用。