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简介
热电偶是一种广泛用于温度丈量的简略元件。本文简略概述了热电偶，介绍了运用热电偶进行规划的进程中常见的应战，并提出两种信号调度处理计划。第一种计划将参阅接合点补偿和信号调度集成在一个模仿IC内，运用更简练；第二种计划将参阅接合点补偿和信号调度独立开来，使数字输出温度感应更灵敏、更准确。
热电偶原理
如图1所示，热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成，相连端称为丈量 (“热”) 接合点。金属线不相连的另一头接到信号调度电路走线，它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做 参阅 (“冷”) 接合点。*
*咱们运用术语”丈量接合点” 和 “参阅接合点”而不是更传统的 “热接合点” 和 “冷接合点”。传统命名体系或许会令人发生困惑，因为在许多运用中，丈量接合点或许比参阅接合点温度更低。
在参阅接合点处发生的电压取决于丈量接合点和参阅接合点两处的温度。因为热电偶是一种差分器材而不是肯定式温度丈量器材，有必要知道参阅接合点温度以取得准确的肯定温度读数。这一进程被称为参阅接合点温度补偿（冷接合点补偿）。
热电偶已成为在合理精度内高性价比丈量宽温度规模的工业规范办法。它们运用于高达约+2500°C的各种场合，如锅炉、热水器、烤箱和风机引擎等.K型是最受欢迎的热电偶，包含® 和 Alumel® (特色是别离含铬,铝, 镁和硅的镍合金), 丈量规模是–200°C至+1250°C。
为什么运用热电偶？
长处
- 温度规模广：从低温到喷气引擎废气，热电偶适用于大多数实践的温度规模。热电偶丈量温度规模在–200°C至+2500°C之间, 具体取决于所运用的金属线。
- 坚固经用：热电偶归于经用器材，抗冲击振荡性好，适合于风险恶劣的环境。
- 呼应快：因为它们体积小，热容量低，热电偶对温度改变呼应快，尤其在感应接合点暴露时。它们可在数百毫秒内对温度改变作出呼应。
- 无自发热：因为热电偶不需求鼓励电源，因而不易自发热，其自身是安全的。
缺陷
- 信号调度杂乱：将热电偶电压转化成可用的温度读数必需进行许多的信号调度。一直以来，信号调度消耗许多规划时刻，处理不妥就会引进差错，导致精度下降。
- 精度低：除了因为金属特性导致的热电偶内部固有不准确性外，热电偶丈量精度只能到达参阅接合点温度的丈量精度，一般在1°C至2°C内。
- 易受腐蚀：因为热电偶由两种不同的金属所组成，在一些工况下，随时刻而腐蚀或许会下降精度。因而，它们或许需求保护；且保养保护必不可少。
- 抗噪性差：当丈量毫伏级信号改变时，杂散电场和磁场发生的噪声或许会引起问题。绞合的热电偶线对或许大幅下降磁场耦合。运用屏蔽电缆或在金属导管内走线和防护可下降电场耦合。丈量器材应当供给硬件或软件办法的信号过滤，有力按捺工频频率（50 Hz/60 Hz）及其谐波。
热电偶丈量的难点
将热电偶发生的电压变换成准确的温度读数并不是件轻松的作业，原因许多：电压信号太弱，温度电压联系呈非线性，需求参阅接合点补偿，且热电偶或许引起接地问题。让咱们逐个剖析这些问题。
电压信号太弱:最常见的热电偶类型有J、K和T型。在室温下，其电压改变起伏别离为52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C。其它较少见的类型温度电压改变起伏乃至更小。这种弱小的信号在模数转化前需求较高的增益级。表1比较了各种热电偶类型的灵敏度。
表1. 25°C时各种热电偶类型的电压改变和温度升高联系
(塞贝克系数)
| 热电偶 类型 |
塞贝克系数 (µV/°C) |
| E | 61 |
| J | 52 |
| K | 41 |
| N | 27 |
| R | 9 |
| S | 6 |
| T | 41 |
因为电压信号弱小，信号调度电路一般需求约100左右的增益，这是适当简略的信号调度。更扎手的作业是怎么辨认实践信号和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线较长，常常穿过电气噪声密布环境。引线上的噪声可轻松吞没细小的热电偶信号。
一般结合两种计划来从噪声中提取信号。第一种计划运用差分输入扩展器（如外表扩展器）来扩展信号。因为大多数噪声一起出现在两根线上(共模)，差分丈量可将其消除。第二种计划是低通滤波，消除带外噪声。低通滤波器应一起消除或许引起扩展器整流的射频搅扰（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz(电源) 工频搅扰。在扩展器前面放置一个射频搅扰滤波器（或运用带滤波输入的扩展器）十分重要。50Hz/60Hz滤波器的方位无关紧要—它能够与RFI滤波器组合放在扩展器和ADC之间，作为∑-Δ ADC滤波器的一部分，或可作为均值滤波器在软件内编程。
参阅接合点补偿：要取得准确的肯定温度读数，有必要知道热电偶参阅接合点的温度。当第一次运用热电偶时，这一进程经过将参阅接合点放在冰池内来完结。图2描绘一头处于不知道温度，另一头处于冰池（0°C）内的热电偶电路。这种办法用来翔实描绘各种热电偶类型的特色，因而简直一切的热电偶表都运用0°C作为参阅温度。
但关于大多数丈量体系而言，将热电偶的参阅接合点坚持在冰池内不切实践。大多数体系改用一种称为参阅接合点补偿（又称为冷接合点补偿）的技能。参阅接合点温度运用另一种温度灵敏器材来丈量—一般为IC、热敏电阻、二极管或RTD（电阻温度丈量器）。然后对热电偶电压读数进行补偿以反映参阅接合点温度。有必要尽或许准确地读取参阅接合点—将准确温度传感器坚持在与参阅接合点相同的温度。任何读取参阅接合点温度的差错都会直接反映在终究热电偶读数中。
可运用各种传感器来丈量参阅接合点温度：
- 热敏电阻：呼应快、封装小；但要求线性，精度有限，尤其在宽温度规模内。要求鼓励电流，会发生自发热，引起漂移。结合信号调度功用后的全体体系精度差。
- 电阻温度丈量器（RTD）：RTD更准确、安稳且呈合理线性，但封装尺度和本钱约束其运用于进程操控运用。
- 长途热二极管：二极管用来感应热耦连接器邻近的温度。调度芯片将和温度成正比的二极管电压转化成模仿或数字输出。其精度限于约±1°C 。
- 集成温度传感器：集成温度传感器是一种部分感应温度的独立IC，应小心肠挨近参阅接合点装置，并可组合参阅接合点补偿和信号调度。可取得远低于1°C的精度。
电压信号非线性:热电偶呼应曲线的斜率随温度而改变。例如，在0°C时，T型热电偶输出按39 μV/°C改变，但在100°C时斜率添加至47 μV/°C。
有三种常见的办法来对热电偶的非线性进行补偿。
挑选曲线相对较陡峭的一部分并在此区域内将斜率近似为线性，这是一种特别适合于有限温度规模内丈量的计划，这种计划不需求杂乱的核算。K和J型热电偶比较受欢迎的许多原因之一是它们一起在较大的温度规模内灵敏度的递加斜率（塞贝克系数）坚持适当安稳（参见图3）。
另一个计划是将查找表存储在内存中，查找表中每一组热电偶电压与其对应的温度相匹配。然后，运用表中两个最近点间的线性插值来取得其它温度值。
第三种计划运用高阶等式来对热电偶的特性进行建模。这种办法尽管最准确，但核算量也最大。每种热电偶有两组等式。一组将温度转化为热电偶电压（适用于参阅接合点补偿）。另一组将热电偶电压转化成温度。热电偶表和更高阶热电偶等式可从http://srdata.nist.gov/its90/main/取得。这些表格和等式悉数根据0°C参阅接合点温度。在参阅集合点处于任何其它温度时，有必要运用参阅接合点补偿。
接地要求： 热电偶制造商在丈量接合点上规划了绝缘和接地两种顶级（图4）。
规划热电偶信号调度时应在丈量接地热电偶时防止接地回路，还要在丈量绝缘热电偶时具有一条扩展器输入偏压电流途径。此外，假如热电偶顶级接地，扩展器输入规模的规划应能够应对热电偶顶级和丈量体系地之间的任何接地差异（图5）。
关于非阻隔体系，双电源信号调度体系一般有助于接地顶级和暴露顶级类型取得更安稳的体现。因为其宽共模输入规模，双电源扩展器能够处理PCB（印刷电路板）地和热电偶顶级地之间的较大压差。假如扩展器的共模规模具有在单电源装备下丈量地电压以下的某些才能，那么单电源体系能够在一切三种顶级状况下取得满足的功用。要处理某些单电源体系中的共模约束，将热电偶偏压至中间量程电压十分有用。这彻底适合于绝缘热电偶简略或全体丈量体系阻隔的状况。可是，不主张规划非阻隔体系来丈量接地或暴露热电偶。
有用热电偶处理计划：热电偶信号调度比其它温度丈量体系的信号调度更杂乱。信号调度规划和调试所需的时刻或许会延伸产品的上市时刻。信号调度部分发生的差错或许会下降精度，尤其在参阅接合点补偿段。下列两种处理计划能够处理这些问题。
第一种计划具体介绍了一种简略的模仿集成硬件处理计划，它运用一个IC将直接热电偶丈量和参阅接合点补偿结合在一起。第二种计划具体介绍了一种根据软件的参阅接合点补偿计划，热电偶丈量精度更高，可更灵敏地运用多种类型热电偶。
丈量计划1：为简略而优化
图6所示为K型热电偶丈量示意图。它运用了AD8495热电偶扩展器，该扩展器专门规划用于丈量K型热电偶。这种模仿处理计划为缩短规划时刻而优化：它的信号链比较简练，不需求任何软件编码。
这种简略的信号链是怎么处理K型热电偶的信号调度要求的呢？
增益和输出份额系数: 弱小的热电偶信号被AD8495扩展122的增益，构成5-mV/°C的输出信号灵敏度（200°C/V）。
降噪:高频共模和差分噪声由外部RFI滤波器消除。低频率共模噪声由AD8495的外表扩展器来按捺。再由外部后置滤波器处理任何剩余噪声。
参阅接合点补偿:因为包含一个温度传感器来补偿环境温度改变，AD8495有必要放在参阅接合点邻近以坚持相同的温度，然后取得准确的参阅接合点补偿。
非线性校对:经过校准，AD8495在K型热电偶曲线的线性部分取得5 mV/°C输出，在–25°C至+400°C温度规模内的线性差错小于2°C。假如需求此规模以外的温度，ADI运用笔记AN-1087 介绍了怎么在微处理器中运用查找表或公式来扩展温度规模。
绝缘、接地和暴露热电偶的处理:图5所示为一个接地1MΩ电阻，它适用于一切热电偶顶级类型。AD8495专门规划以在如图所示调配单电源时丈量地电压以下数百毫伏。假如期望更大地压差，AD8495还可选用双电源作业。
AD8495的更多概况: 图7所示为AD8495热电偶扩展器的框图。扩展器A1、A2和A3（及所示电阻）一道构成一个外表扩展器，它运用刚好发生5 mV/°C输出电压的一个增益来对K型热电偶输出进行扩展。在符号”Ref junction compensation”（参阅接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。在丈量接合点温度坚持安稳的条件下，假如参阅接合点温度因为任何原因而上升，来自热电偶的差分电压就会下降。假如微型封装的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495挨近参阅接合点的热区域，参阅接合点补偿电路将额定电压施加到扩展器内，这样输出电压坚持安稳，然后对参阅温度改变进行补偿。
表2概述了运用AD8495的集成硬件处理计划的功用：
表2.处理计划1（图6）功用概述
| 热电偶类型 | 丈量接合点规模 | 参阅接合点温度规模 | 25°C时精度 | 功耗 |
| K | –25°C 至 +400°C |
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