作者：Matthew Duff 和 Joseph Towey 簡介 熱電偶是一種廣泛用于溫度測量的簡單元件。本文簡單概述了熱電偶，介紹了利用熱電偶進行設計的過程中常見的挑戰，并提出兩種信號調理解決方案。第一種方案將參考接合點補償和信號調理集成在一個模擬 IC 內，使用更簡便；第二種方案將參考接合點補償和信號調理獨立開來，使數字輸出溫度感應更靈活、更精確。 熱電偶原理 如圖 1 所示，熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線組成，相連端稱為測量（“熱”）接合點。金屬線不相連的另一頭接到信號調理電路走線，它一般由銅制成。在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個接合點叫做參考（“冷”）接合點。* 1.熱電偶。 在參考接合點處產生的電壓取決于測量接合點和參考接合點兩處的溫度。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對式溫度測量器件，必須知道參考接合點溫度以獲得精確的絕對溫度讀數。這一過程被稱為參考接合點溫度補償（冷接合點補償）。 熱電偶已成為在合理精度內高性價比測量寬溫度范圍的工業標準方法。它們應用于高達約 2500°C 的各種場合，如鍋爐、熱水器、烤箱和風機引擎等。K 型是最受歡迎的熱電偶，包括 Chromel?和 Alumel?（特點是分別含鉻、鋁、鎂和硅的鎳合金），測量范圍是–200°C 至 1250°C。 *我們使用術語“測量接合點“和“參考接合點”而不是更傳統的“熱接合點”和“冷接合點”。傳統命名體系可能會令人產生困惑，因為在許多應用中，測量接合點可能比參考接合點溫度更低。 為什么使用熱電偶？ 優點 ? 溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數實際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在–200°C至 2500°C之間,具體取決于所使用的金屬線。 ? 堅固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動性好，適合于危險惡劣的環境。 ? 響應快：因為它們體積小，熱容量低，熱電偶對溫度變化響應快，尤其在感應接合點裸露時。它們可在數百毫秒內對溫度變化作出響應。 ? 無自發熱：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發熱，其本身是安全的。 缺點 ? 信號調理復雜：將熱電偶電壓轉換成可用的溫度讀數必需進行大量的信號調理。一直以來，信號調理耗費大量設計時間，處理不當就會引入誤差，導致精度降低。 ? 精度低：除了由于金屬特性導致的熱電偶內部固有不精確性外，熱電偶測量精度只能達到參考接合點溫度的測量精度，一般在 1°C 至 2°C 內。 ? 易受腐蝕：因為熱電偶由兩種不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時間而腐蝕可能會降低精度。因此，它們可能需要保護；且保養維護必不可少。 ? 抗噪性差：當測量毫伏級信號變化時，雜散電場和磁場產生的噪聲可能會引起問題。絞合的熱電偶線對可能大幅降低磁場耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導管內走線和防護可降低電場耦合。測量器件應當提供硬件或軟件方式的信號過濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。 熱電偶測量的難點 將熱電偶產生的電壓變換成精確的溫度讀數并不是件輕松的事情，原因很多：電壓信號太弱，溫度電壓關系呈非線性，需要參考接合點補償，且熱電偶可能引起接地問題。讓我們逐一分析這些問題。 電壓信號太弱：最常見的熱電偶類型有 J、K 和 T 型。在室溫下，其電壓變化幅度分別為 52 μV/°C、41 μV/°C 和 41 μV/°C。其它較少見的類型溫度電壓變化幅度甚至更小。這種微弱的信號在模數轉換前需要較高的增益級。表 1 比較了各種熱電偶類型的靈敏度。 1. 25°C 時各種熱電偶類型的電壓變化和溫度升高關系（塞貝克系數） 因為電壓信號微弱，信號調理電路一般需要約 100 左右的增益，這是相當簡單的信號調理。更棘手的事情是如何識別實際信號和熱電偶引線上的拾取噪聲。熱電偶引線較長，經常穿過電氣噪聲密集環境。引線上的噪聲可輕松淹沒微小的熱電偶信號。 一般結合兩種方案來從噪聲中提取信號。第一種方案使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來放大信號。因為大多數噪聲同時出現在兩根線上（共模），差分測量可將其消除。第二種方案是低通濾波，消除帶外噪聲。低通濾波器應同時消除可能引起放大器整流的射頻干擾（1 MHz 以上）和 50 Hz/60 Hz（電源）的工頻干擾。在放大器前面放置一個射頻干擾濾波器（或使用帶濾波輸入的放大器）十分重要。50Hz/60Hz 濾波器的位置無關緊要—它可以與 RFI 濾波器組合放在放大器和 ADC 之間，作為∑-Δ ADC濾波器的一部分，或可作為均值濾波器在軟件內編程。 參考接合點補償：要獲得精確的絕對溫度讀數，必須知道熱電偶參考接合點的溫度。當第一次使用熱電偶時，這一步驟通過將參考接合點放在冰池內來完成。圖 2 描述一頭處于未知溫度，另一頭處于冰池（0°C）內的熱電偶電路。這種方法用來詳盡描述各種熱電偶類型的特點，因此幾乎所有的熱電偶表都使用 0°C 作為參考溫度。 圖 2. 基本的鐵-康銅熱電偶電路。 但對于大多數測量系統而言，將熱電偶的參考接合點保持在冰池內不切實際。大多數系統改用一種稱為參考接合點補償（又稱為冷接合點補償）的技術。參考接合點溫度使用另一種溫度敏感器件來測量—一般為 IC、熱敏電阻、二極管或 RTD（電阻溫度測量器）。然后對熱電偶電壓讀數進行補償以反映參考接合點溫度。必須盡可能精確地讀取參考接合點—將精確溫度傳感器保持在與參考接合點相同的溫度。任何讀取參考接合點溫度的誤差都會直接反映在最終熱電偶讀數中。 可使用各種傳感器來測量參考接合點溫度： 1. 熱敏電阻：響應快、封裝小；但要求線性，精度有限，尤其在寬溫度范圍內。要求激勵電流，會產生自發熱，引起漂移。結合信號調理功能后的整體系統精度差。 2. 電阻溫度測量器（RTD）：RTD 更精確、穩定且呈合理線性，但封裝尺寸和成本限制其應用于過程控制應用。 3. 遠程熱二極管：二極管用來感應熱耦連接器附近的溫度。調節芯片將和溫度成正比的二極管電壓轉換成模擬或數字輸出。其精度限于約±1°C。 4. 集成溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種局部感應溫度的獨立 IC，應小心地靠近參考接合點安裝，并可組合參考接合點補償和信號調理。可獲得遠低于 1°C 的精度。電壓信號非線性：熱電偶響應曲線的斜率隨溫度而變化。例如，在 0°C 時，T 型熱電偶輸出按 39 μV/°C 變化，但在 100°C 時斜率增加至 47 μV/°C。 有三種常見的方法來對熱電偶的非線性進行補償。選擇曲線相對較平緩的一部分并在此區域內將斜率近似為線性，這是一種特別適合于有限溫度范圍內測量的方案，這種方案不需要復雜的計算。K 和 J 型熱電偶比較受歡迎的諸多原因之一是它們同時在較大的溫度范圍內靈敏度的遞增斜率（塞貝克系數）保持相當恒定（參見圖 3）。 圖 3.熱電偶靈敏度隨溫度而變化注意，從 0°C 至 1000°C，K 型塞貝克系數大致恒定在約 41 μV/°C。 另一個方案是將查找表存儲在內存中，查找表中每一組熱電偶電壓與其對應的溫度相匹配。然后，使用表中兩個最近點間的線性插值來獲得其它溫度值。 第三種方案使用高階等式來對熱電偶的特性進行建模。這種方法雖然最精確，但計算量也最大。每種熱電偶有兩組等式。一組將溫度轉換為熱電偶電壓（適用于參考接合點補償）。另一組將熱電偶電壓轉換成溫度。熱電偶表和更高階熱電偶等式可從獲得。這些表格和等式全部基于0°C 參考接合點溫度。在參考集合點處于任何其它溫度時，必須使用參考接合點補償。 接地要求：熱電偶制造商在測量接合點上設計了絕緣和接地兩種尖端（圖 4）。 4.熱電偶測量接合點類型。 設計熱電偶信號調理時應在測量接地熱電偶時避免接地回路，還要在測量絕緣熱電偶時具有一條放大器輸入偏壓電流路徑。此外，如果熱電偶尖端接地，放大器輸入范圍的設計應能夠應對熱電偶尖端和測量系統地之間的任何接地差異（圖 5）。 圖5.使用不同尖端類型時的接地方式。 對于非隔離系統，雙電源信號調理系統一般有助于接地尖端和裸露尖端類型獲得更穩定的表現。因為其寬共模輸入范圍，雙電源放大器可以處理 PCB（印刷電路板）地和熱電偶尖端地之間的較大壓差。如果放大器的共模范圍具有在單電源配置下測量地電壓以下的某些能力，那么單電源系統可以在所有三種尖端情況下獲得滿意的性能。要處理某些單電源系統中的共模限制，將熱電偶偏壓至中間量程電壓非常有用。這完全適合于絕緣熱電偶簡單或整體測量系統隔離的情況。但是，不建議設計非隔離系統來測量接地或裸露熱電偶。 實用熱電偶解決方案：熱電偶信號調理比其它溫度測量系統的信號調理更復雜。信號調理設計和調試所需的時間可能會延長產品的上市時間。信號調理部分產生的誤差可能會降低精度，尤其在參考接合點補償段。下列兩種解決方案可以解決這些問題。第一種方案詳細介紹了一種簡單的模擬集成硬件解決方案，它使用一個 IC 將直接熱電偶測量和參考接合點補償結合在一起。第二種方案詳細介紹了一種基于軟件的參考接合點補償方案，熱電偶測量精度更高，可更靈活地使用多種類型熱電偶。 測量方案 1：為簡單而優化 圖 6 所示為 K 型熱電偶測量示意圖。它使用了 AD8495 熱電偶放大器，該放大器專門設計用于測量 K 型熱電偶。這種模擬解決方案為縮短設計時間而優化：它的信號鏈比較簡潔，不需要任何軟件編碼。 圖 6.測量解決方案 1：為簡單而優化。