無(wú)論您是要構(gòu)建溫度傳感設(shè)備，還是需要為更大的系統(tǒng)添加傳感功能，都應(yīng)熟悉熱電偶并了解如何設(shè)計(jì)熱電偶接口。Bob Perrin在1999年Circuit Cellar Online上的文章“熱電偶基礎(chǔ)”中涵蓋了這些主題以及更多內(nèi)容。本文全文顯示在下面。
一個(gè)數(shù)學(xué)家，一個(gè)物理學(xué)家和一個(gè)工程師正在共進(jìn)午餐。酒保問(wèn)這三位先生，“我聽(tīng)到的關(guān)于這個(gè)PI的什么事？”
數(shù)學(xué)家回答說(shuō)：“ pi是圓的周長(zhǎng)與其直徑之比。”
物理學(xué)家回答：“ pi是3.14159265359。”
工程師抬起頭，直截了當(dāng)?shù)卣f(shuō)：“哦，pi大約是三，”然后迅速回到餐巾背面的涂鴉上。
關(guān)鍵不是工程師馬虎，粗心或缺乏社交能力。關(guān)鍵是我們非常務(wù)實(shí)。我們是非理想世界中問(wèn)題的解決者。這意味著我們必須能夠?qū)⒏拍顟?yīng)用于實(shí)際問(wèn)題，并且知道何時(shí)某些影響在我們的應(yīng)用中可以忽略不計(jì)。
例如，在設(shè)計(jì)一階或二階濾波器時(shí)，考慮到價(jià)格合理的元件的容差和溫度依賴性，3通常對(duì)于pi足夠接近。
但是，在我們開始進(jìn)行粗略的近似之前，我們必須了解我們正在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所涉及的物理原理。在沒(méi)有完全了解所涉及問(wèn)題的情況下，似乎近似地受到粗略估計(jì)的一個(gè)話題是熱電偶的溫度測(cè)量。
熱電偶是簡(jiǎn)單的溫度傳感器，由兩條由不同合金制成的導(dǎo)線組成。這些設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于使用。但是，就像任何電子組件一樣，它們需要一定數(shù)量的解釋。本文的目的是介紹和解釋如何使用熱電偶以及如何設(shè)計(jì)熱電偶接口。
兩種金屬的尾巴
圖1a顯示了一個(gè)熱電偶。一個(gè)結(jié)被稱為熱結(jié)。另一個(gè)結(jié)點(diǎn)被指定為冷結(jié)點(diǎn)或參考結(jié)點(diǎn)。環(huán)路中產(chǎn)生的電流與熱結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)點(diǎn)之間的溫差成正比。熱電偶測(cè)量的是溫度差異，而不是絕對(duì)溫度。
要了解為什么形成電流，我們必須回到物理學(xué)。不幸的是，我不是物理學(xué)家，所以這種解釋可能會(huì)歪曲一個(gè)或兩個(gè)概念，但是我還是繼續(xù)。
考慮一根均勻的金屬線。如果在一端施加熱量，那一端的電子將變得更有能量。它們吸收能量并從其正常的能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移到更高的能量狀態(tài)。有些將完全從其原子中解放出來(lái)。這些新釋放的高能電子移向?qū)Ь�的冷端。隨著這些電子加快導(dǎo)線速度，它們將能量轉(zhuǎn)移到其他原子上。這就是能量（熱量）從電線的熱端傳遞到冷端的方式。
當(dāng)這些電子在導(dǎo)線的冷端聚集時(shí)，它們會(huì)受到靜電排斥。在冷端的非高能電子向?qū)Ь�的熱端移動(dòng)，這就是在導(dǎo)體中保持電荷中性的方式。
從冷端向熱端移動(dòng)的電子的移動(dòng)速度比從熱端向冷端移動(dòng)的高能電子移動(dòng)的速度慢。但是，在宏觀層面上，電荷平衡得以維持。
如圖1a所示，當(dāng)使用兩種不同的金屬形成熱電偶回路時(shí)，當(dāng)在兩個(gè)結(jié)之間建立溫差時(shí)，兩種金屬對(duì)電子的親和力差異將使電流產(chǎn)生。
當(dāng)電子從冷端移動(dòng)到熱端時(shí)，這些能量不太高的電子在一種金屬中的移動(dòng)比另一種容易。從熱端移動(dòng)到冷端的電子已經(jīng)吸收了很多能量，并且在兩條導(dǎo)線中都可以自由移動(dòng)。這就是在回路中產(chǎn)生電流的原因。
我可能錯(cuò)過(guò)了一些物理方面的細(xì)節(jié)，但我想我成為了亮點(diǎn)。如果任何人都可以提供更深入或更詳細(xì)的解釋，請(qǐng)給我發(fā)送電子郵件。為技術(shù)讀者寫作的非常好的事情之一就是向我的讀者學(xué)習(xí)。
打破循環(huán)
如果使用熱電偶，則必須在環(huán)路中插入一個(gè)測(cè)量設(shè)備，以獲取有關(guān)熱結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)點(diǎn)之間的溫差的信息。圖1b顯示了典型設(shè)置。將熱電偶線接到接線盒，電路測(cè)量開路電壓。
當(dāng)將熱電偶導(dǎo)線連接到端子塊時(shí)，會(huì)形成另外一對(duì)熱電偶（每個(gè)螺釘端子一個(gè)）。如果螺釘端子的端子合金與熱電偶線不同，則為真。圖1c示出了圖1b的替代表示。結(jié)點(diǎn)2和結(jié)點(diǎn)3是連接到測(cè)量電路的不良工件。這兩個(gè)結(jié)通常稱為寄生熱電偶。
在物理電路中，寄生熱電偶形成在每個(gè)焊點(diǎn)，連接器，甚至每個(gè)內(nèi)部IC鍵合線上。如果不是所謂的“中間金屬定律”，這些寄生結(jié)將給我們帶來(lái)無(wú)盡的麻煩。
中間金屬法則規(guī)定，只有在與第三種金屬的連接處保持等溫（在相同溫度下）的情況下，才能將第三種金屬插入熱電偶系統(tǒng)而不影響系統(tǒng)。
在圖1c中，如果結(jié)2和結(jié)3處于相同溫度，則它們將不會(huì)影響環(huán)路中的電流。圖1b中的電壓表看到的電壓將與1號(hào)結(jié)與2號(hào)和3號(hào)結(jié)之間的溫度差成正比。
結(jié)1是熱結(jié)。有效地將等溫接線盒從電路中移除，因此冷端的溫度就是接線盒的溫度。
測(cè)量溫度
熱電偶產(chǎn)生的電壓（或環(huán)路電流）與熱結(jié)和參考結(jié)之間的溫差成正比。如果要知道熱結(jié)的絕對(duì)溫度，則必須知道參考結(jié)的絕對(duì)溫度。
有三種方法可以找出參考結(jié)的溫度。非常簡(jiǎn)單的方法是使用熱敏電阻或半導(dǎo)體溫度傳感器（例如ADI公司的TMP03 / 04）測(cè)量參考結(jié)點(diǎn)的溫度。然后，在軟件中，將測(cè)得的熱電偶溫度（熱結(jié)和參考結(jié)之間的差）加到參考結(jié)的測(cè)量溫度。該計(jì)算將得出熱結(jié)的絕對(duì)溫度。
第二種方法涉及將參考結(jié)保持在固定的已知溫度下。冰浴或冰泥是實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中非常常用的方法之一。圖2顯示了這是如何完成的。
或者，我們可以省略金屬A的辮子，而只需將接線板浸入冰中。這可以很好地工作，但是比圖2所示的方法更混亂。
有時(shí)，允許圖1c中冷端（接線盒）的溫度浮動(dòng)到環(huán)境溫度。然后，假定環(huán)境溫度為“約25°C”或其他“足夠接近”的溫度。通常在知道熱結(jié)點(diǎn)溫度不是很關(guān)鍵的系統(tǒng)中找到這種方法。
降低冷端溫度的第三種方法是使用冷端補(bǔ)償IC，例如Analog Devices AD594或Linear Technology LT1025。這種方法將前兩種方法結(jié)合在一起。
這些IC中有一個(gè)溫度傳感器，用于檢測(cè)冷端的溫度。大概與安裝IC的電路板的溫度相同。然后，IC產(chǎn)生的電壓與熱電偶產(chǎn)生的電壓成比例，熱電偶的熱結(jié)點(diǎn)處于環(huán)境溫度，冷結(jié)點(diǎn)為0°C。該電壓被加到由熱電偶產(chǎn)生的EMF上。非常終效果與將冷端物理保持在0°C時(shí)的效果相同。
知道（或近似）冷端溫度并在整體測(cè)量中考慮此信息的行為稱為冷端補(bǔ)償。我討論的三種技術(shù)都是冷端補(bǔ)償?shù)拿糠N方法。
冰浴可能是非常準(zhǔn)確的方法。泥濘的冰可以很容易地保持約0.1°C的均勻度。我讀過(guò)，冰浴可以保持0.01°C的均勻度，但是我從來(lái)沒(méi)有達(dá)到那種均勻度。冰浴在物理上很笨拙，因此對(duì)于工業(yè)測(cè)量通常是不切實(shí)際的。
現(xiàn)成的冷端補(bǔ)償IC可能很昂貴，并且通常僅精確到幾攝氏度，但是許多系統(tǒng)都使用這些器件。
使用熱敏電阻，或者甚至使用二極管或BJT上的PN結(jié)來(lái)測(cè)量冷結(jié)溫度，可能相當(dāng)便宜且非常準(zhǔn)確。該系統(tǒng)遇到的非常常見(jiàn)困難是校準(zhǔn)。傳感器附近或端子板上的謹(jǐn)慎位置很重要。
如果要將接線盒用作冷端（請(qǐng)參見(jiàn)圖1b），則接線盒必須保持等溫。實(shí)際上，要使接線盒真正保持等溫幾乎是不可能的。因此，必須做出妥協(xié)。這是工程師的庫(kù)存和貿(mào)易。知道什么是等溫的“足夠”適合您的應(yīng)用是關(guān)鍵。
如果允許接線盒的螺釘式接線端子產(chǎn)生明顯的溫度梯度，則在精密電子設(shè)備上會(huì)浪費(fèi)大量金錢。當(dāng)功率組件放置在接線盒附近時(shí)，通常會(huì)發(fā)生這種情況。您必須特別注意確保接線盒周圍的溫度穩(wěn)定。
有兩種大類的溫度測(cè)量應(yīng)用程序。非常好類涉及測(cè)量絕對(duì)溫度。例如，您可能想知道烤箱內(nèi)部相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)溫度標(biāo)尺（例如攝氏度）的溫度。這種類型的應(yīng)用要求您準(zhǔn)確知道參考結(jié)的絕對(duì)溫度。
第二種類型的測(cè)量涉及測(cè)量溫度差。例如，在微熱量計(jì)中，您可能需要測(cè)量系統(tǒng)的溫度，然后開始一些化學(xué)反應(yīng)并在反應(yīng)進(jìn)行時(shí)測(cè)量溫度。值的信息是非常好次測(cè)量與后續(xù)測(cè)量之間的差。
測(cè)量溫差的系統(tǒng)通常更容易構(gòu)建，因?yàn)椴恍枰刂苹蚓_測(cè)量參考結(jié)。要求在進(jìn)行兩次測(cè)量時(shí)，參考結(jié)保持在恒定溫度下。參考結(jié)的溫度是25.0°C還是30.0°C都無(wú)關(guān)緊要，因?yàn)闇p去連續(xù)的測(cè)量值會(huì)從計(jì)算出的答案中刪除參考結(jié)溫度。
您可以使用熱電偶進(jìn)行精確的差分溫度測(cè)量，但是必須確保形成冷端的接線盒與等溫點(diǎn)“足夠近”。您還必須確保冷端具有足夠的熱質(zhì)量，這樣它就不會(huì)在兩次測(cè)量之間的時(shí)間內(nèi)改變溫度。
實(shí)際事項(xiàng)
熱電偶的字母名稱表示制造它們的材料。該字母名稱稱為熱電偶“類型”。表1列出了可用的常見(jiàn)熱電偶及其可用溫度范圍。
對(duì)于給定的溫度條件，每種類型的熱電偶都會(huì)產(chǎn)生不同的開路電壓（塞貝克電壓）。這些器件在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都不是線性的。有可用的標(biāo)準(zhǔn)表，這些表將塞貝克電壓隨溫度變化列表化。[1] 還有用于熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)多項(xiàng)式模型。
熱電偶產(chǎn)生小的塞貝克電壓。例如，當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)都接近室溫時(shí)，K型熱電偶每攝氏度產(chǎn)生約40 µV的電壓。當(dāng)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)都接近室溫時(shí)，非常敏感的熱電偶E型每攝氏度產(chǎn)生約60 µV。
在許多應(yīng)用中，所測(cè)量的溫度范圍足夠小，以至于塞貝克電壓被認(rèn)為在目標(biāo)范圍內(nèi)是線性的。這樣就無(wú)需在系統(tǒng)中查找表或進(jìn)行多項(xiàng)式計(jì)算。通常，絕對(duì)精度的損失可以忽略不計(jì)，但是這種折衷是設(shè)計(jì)工程師必須仔細(xì)權(quán)衡的一項(xiàng)。
電路圖
設(shè)計(jì)熱電偶接口時(shí)，您只需要了解幾條信息：
將使用哪種類型的熱電偶
熱結(jié)點(diǎn)將承受的整個(gè)溫度范圍是多少？
冷端將承受的整個(gè)溫度范圍是多少？
您的應(yīng)用所需的溫度分辨率是多少
您的系統(tǒng)需要電流隔離嗎
將使用哪種類型的冷端補(bǔ)償
如果非常后一個(gè)問(wèn)題的答案需要從商用冷端補(bǔ)償IC上模擬增加電壓，則該IC的制造商可能會(huì)為您提供適當(dāng)?shù)膮⒖荚O(shè)計(jì)。如果您打算通過(guò)物理方式（通過(guò)冰�。┗蛲ㄟ^(guò)軟件（通過(guò)使用另一臺(tái)設(shè)備測(cè)量冷端的溫度）來(lái)進(jìn)行冷端補(bǔ)償，則必須構(gòu)建或購(gòu)買數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
電隔離是許多工業(yè)應(yīng)用中的重要功能。由于熱電偶實(shí)際上只是電線的長(zhǎng)回路，因此它們通常會(huì)吸收高水平的共模噪聲。在某些應(yīng)用中，熱電偶可以連接到線電壓（或更高）的設(shè)備上。
在這種情況下，需要進(jìn)行電流隔離以將高壓交流電保持在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之外。這種隔離通常通過(guò)以下兩種方式之一完成：使用光隔離器或變壓器。兩種系統(tǒng)都需要熱電偶信號(hào)調(diào)節(jié)器，以使其接地端相對(duì)于地面浮動(dòng)。圖3a和3b概述了這些方案。
因?yàn)楸疚牡闹攸c(diǎn)是與熱電偶的接口，所以我不得不將實(shí)現(xiàn)電隔離的細(xì)節(jié)留給另一篇文章。
考慮到熱電偶產(chǎn)生的微小電壓電平，信號(hào)調(diào)理模塊的設(shè)計(jì)人員應(yīng)仔細(xì)關(guān)注噪聲抑制。使用差分放大器的共模抑制（CMR）特性是一個(gè)很好的起點(diǎn)。圖4顯示了一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的熱電偶界面
單片儀表放大器（儀表放大器）的價(jià)格為2至5美元（取決于等級(jí)和制造商）。這些通常是8引腳DIP或SOIC器件。儀表放大器是簡(jiǎn)單的差分放大器。增益由單個(gè)外部電阻設(shè)置。儀表放大器的輸入阻抗通常為10吉?dú)W。
當(dāng)然，您可以使用運(yùn)算放大器甚至分立部件來(lái)構(gòu)建信號(hào)調(diào)理器。但是，單片儀表放大器上的所有有源元件都在同一芯片上，并保持或多或少的等溫狀態(tài)。這意味著儀表放大器特性在整個(gè)溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)良好。良好的CMR，可控增益，小尺寸和高輸入阻抗使儀表放大器成為熱電偶調(diào)節(jié)電路的核心。
溫度趨于相對(duì)緩慢地變化。因此，如果您發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)有噪音，通�？梢园惭b輔助的低通濾波器。這些可以用硬件或軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。在許多系統(tǒng)中，在1 s內(nèi)進(jìn)行128次測(cè)量然后取平均結(jié)果并不少見(jiàn)。數(shù)字濾波器可大大降低生產(chǎn)系統(tǒng)中的成本。
設(shè)計(jì)熱電偶電路時(shí)經(jīng)常面臨的另一個(gè)問(wèn)題是使放大器失調(diào)為零。您可以通過(guò)多種方法使放大器的偏移為零[2]，但我非常喜歡的是斬波輸入。圖5顯示了如何完成此過(guò)程。
熱電偶的信號(hào)電平很小，增益不常見(jiàn)，約為1000 V / V，這意味著運(yùn)算放大器或儀表放大器的電壓偏移量甚至為1 mV，輸出端的偏移量也會(huì)為伏特級(jí)。 。
圖5中的斬波器允許微控制器反轉(zhuǎn)熱電偶的極性。為了使電路為零，微控制器將進(jìn)行兩次測(cè)量，然后將其相減。
首先，設(shè)置斬波器，使ADC測(cè)量增益（Vsensor + Voffset）。其次，設(shè)置斬波器，使ADC測(cè)量增益（–Vsensor + Voffset）。
將非常好個(gè)測(cè)量值減去第二個(gè)測(cè)量值，然后除以二。結(jié)果是GAIN * Vsensor。如您所見(jiàn)，這正是我們感興趣的數(shù)量。儀表放大器的失調(diào)已從測(cè)量中刪除。
關(guān)閉時(shí)間
在1821年，托馬斯·J·塞貝克（Thomas J. Seebeck）發(fā)現(xiàn)，如果加熱兩種異種金屬的結(jié)，則會(huì)產(chǎn)生電壓。此電壓此后被稱為塞貝克電壓。
從工業(yè)熔爐到醫(yī)療設(shè)備，熱電偶廣泛存在。乍一看，熱電偶似乎充滿神秘感。他們不是。畢竟，如何用兩根電線構(gòu)建一個(gè)已經(jīng)使用了180年的設(shè)備，很難弄清楚呢？
使用熱電偶進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只要牢記這四個(gè)概念，項(xiàng)目就會(huì)更加順利。首先，熱電偶產(chǎn)生的電壓與熱結(jié)和參考結(jié)之間的溫度差成正比。
其次，由于熱電偶測(cè)量相對(duì)溫度差，因此如果系統(tǒng)要報(bào)告絕對(duì)溫度，則需要冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償僅意味著知道冷端的絕對(duì)溫度并相應(yīng)地調(diào)整重新分配的溫度值。
要記住的第三點(diǎn)是，熱電偶的塞貝克電壓系數(shù)很小，通常約為每攝氏度數(shù)十微伏。非常后，熱電偶在其整個(gè)溫度范圍內(nèi)都是非線性的。如果需要，線性化非常好在軟件中完成。
有了這些概念，本文中的電路以及一些時(shí)間，您應(yīng)該可以在下一個(gè)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)一個(gè)熱電偶。
