摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端(冷端)的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。 概述 温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。 当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。 如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。 热电偶基础 热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。 表1. 常用的热电偶类型 类型 正端金属/合金 负端金属/合金 温度范围(°C) T 铜 镍铜合金 -200至+350 J 铁 镍铜合金 0至+750 K 镍铬合金 镍基热电偶合金 -200至+1250 E 镍铬合金 镍铜合金 -200至+900 两种不同类型的金属接(焊接)在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。Seebeck效应相对于Peltier效应，Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图1a所示，测量电压VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，VOUT也是温差的函数。定标因数，α，对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。 图1a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果。 图1b. 常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。 图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的节点。本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。 冷端温度为0°C (冰点)时是一种最简单的情况，如果TC = 0°C，则VOUT = VH。这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于0°C冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热端温度。 在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是0°C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。 选择冷端温度测量器件 如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。 对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。 精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度传感器IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。 总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，以便得到最佳的性价比。 考虑因素 一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用NBS提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。 软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。 出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。 应用电路 下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄(0°C至+70°C和-40°C至+85°C)的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。第二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。所有三个电路均采用K型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。 示例#1 图2所示电路中，16位Σ-Δ ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。集成可编程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测IC靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。这种方法假设IC温度近似等于冷端温度。冷端温度传感器输出由ADC的通道2进行数字转换。温度传感器内部的2.56V基准节省了一个外部电压基准IC。 图2. 本地温度检测IC (MAX6610)确定冷端温度。温度检测IC靠近热电偶接点(冷端)放置，热电偶和冷端温度传感器输出电压由16位ADC (MX7705)转换。 工作在双极性模式时，ADC可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道1输出。ADC的通道2将MAX6610的单端输出电压转换成数字信号，提供给微控制器。温度检测IC的输出电压与冷端温度成正比。 为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。将此电压与经过PGA增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。 表2. 图2电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度   冷端 温度 (°C) 热端测量 温度* (°C) 测量值#1   -39.9 +101.4 测量值#2   0.0 +101.5 测量值#3   +25.2 +100.2 测量值#4   +85.0 +99.0 * “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。 示例#2 图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度，与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输出。 ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出，通道2没有使用，输入直接接地。外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。 图3. 远端二极管温度检测IC不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。 表3列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。 表3. 图3电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度   冷端 温度 (°C) 热端测量 温度* (°C) 测量值#1   -39.8 +99.1 测量值#2   -0.3 +98.4 测量值#3   +25.0 +99.7 测量值#4   +85.1 +101.5 * “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。 示例#3 图4电路中的12位ADC带有温度检测二极管，温度检测二极管将环境温度转换成电压量，IC通过处理热电偶电压和二极管的检测电压，计算出补偿后的热端温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果，在0°C至+700°C温度范围内，器件温度误差保持在±9 LSB以内。虽然该器件的测温范围较宽，但它不能测量0°C以下的温度。 图4. 集成了冷端补偿的ADC，将热电偶电压转换为温度，无需外部元件。 表4是4所示电路的测量结果，冷端温度变化范围：0°C至+70°C，热端温度保持在+100°C。 表4. 图4电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度   冷端 温度 (°C) 热端测量 温度* (°C) 测量值#1   0.0 +100.25 测量值#2   +25.2 +100.25 测量值#3   +50.1 +101.0 测量值#4   +70.0 +101.25 * “热端测量温度”是经过补偿的数值，由电路测量得到。 结论 由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。热电偶所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度，即可确定出热端的实际温度值。 冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关，铂RTD精度最高，但成本也最高。电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围，但其线性度较差。硅温度传感器检测IC工作温度范围较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，能够满足多数热电偶应用的需求。 类似文章发表于ECN网站，2005年3月。 我们期待您的反馈！ 喜欢？不喜欢？有待改善？或为我们提供建议？请与我们联系 — 我们将根据您的意见或建议改善我们的工作。 网页评价或提供建议 自动更新 需要自动接收最新发布的应用笔记吗？请订阅EE-Mail™ (English only)。 更多信息   APP 4026: Jul 31, 2007 MAX6002 低成本、低功耗、低压差、SOT23-3封装的电压基准 完整的数据资料 (PDF, 208kB) 免费样品 MAX6610 精密的、低功耗、6引脚SOT23封装温度传感器及电压基准 完整的数据资料 (PDF, 144kB) 免费样品 MAX6627 精度为±1°C的远端数字温度传感器，带有SPI兼容的串行接口 完整的数据资料 (PDF, 116kB) 免费样品 MAX6675 带有冷端补偿的K型热电偶至数字转换(0°C至+1024°C) 完整的数据资料 (PDF, 144kB) 免费样品 MX7705 16位、低功耗、2通道、Σ-Δ ADC 完整的数据资料 (PDF, 544kB) 免费样品   下载，PDF格式 (66kB)  AN4026, AN 4026, APP4026, Appnote4026, Appnote 4026