自20世纪初期以来，热电偶就被广泛运用于要害的温度丈量，特别是极高温范畴。关于许多工业和进程要害运用，T/C和RTD（电阻温度检测器）已经成为温度丈量的“黄金规范”。虽然RTD具有更好的精度和可重复性，但相对而言，热电偶具有如下优势：
• 量程较大
• 呼应时刻较快
• 本钱较低
• 耐久性较好
• 自供电（无需鼓励信号）
• 无自热效应
可是，运用热电偶进行高精度温度丈量或许比较杂乱。您可以通过坚实的电路规划和校准来优化丈量精度，但了解热电偶作业原理有助于规划电路或运用温度计。
热电偶作业原理
向一段金属丝施加一个电压源时，电流从正端流向负端，金属丝发热，构成一部分能量损耗。托马斯·塞贝克在1821年发现的塞贝克效应则是一种反向现象：向一段金属丝运用某种温度梯度时，会发生一个电势。这便是热电偶的物理根底。
（式1）
式中，∇V为电压梯度，∇T为温度梯度，S（T）为塞贝克系数。塞贝克系数与资料相关，而且也是温度的函数。一段金属丝上两个不同温度点之间的电压等于塞贝克系数函数在温度上的积分。
（式2）
例如，图1中的T1、T2和T3标明一段金属丝上不同方位点的温度。T1 （蓝色）标明最低温度点，T3（赤色）标明最高温度点。T2和T1之间的电压为：
（式3）
类似地，T3和T1之间的电压为：
（式4）
依据积分的可加性，V31也等于：
（式5）
咱们在评论热电偶的电压与温度转化时，要紧记这一点。
图1：依据塞贝克系数，温度梯度在传导性金属上发生电压。
热电偶由两种不同的金属组成，金属丝的塞贝克系数S（T）一般不同。已然一种金属上的温度差即可发生电压差，为什么有必要运用两种金属呢？假定图2中的金属丝是由资料“A”制成的。假如一块电压表的探头也是由资料A制成的，理论上说，电压表将检测不到任何电压。
图2：电压丈量衔接。当探头和金属丝的资料相一起，将不存在电势差。
原因是当探头衔接到金属丝结尾时，相当于将金属丝延伸了。长金属丝的两个结尾衔接到电压表的输入，具有相同的温度（TM）。假如金属丝两个结尾的温度相同，则不会发生电压。 为了在数学上证明这一点，咱们核算从电压表正端到负端的整个金属环上累积的电压。
（式6）
依据积分的可加性，上式变为：
（式7）
当积分的下鸿沟和上鸿沟相一起，积分的成果为V=0。 假如探头资料为B，如图3所示，那么：
（式8）
将上式简化，咱们得到：
（式9）
式9标明，丈量电压等于两种资料的塞贝克系数函数之差的积分。这便是热电偶运用两种异金属的原因。
图3：电压丈量衔接。探头和金属丝选用不同的资料，说明晰塞贝克系数的物理实践。
Material A： 资料A
Material B： 资料B
Voltmeter： 电压表
依据图3中的电路和式9，假定SA（T）、SB（T）以及被测电压已知，咱们依然不能核算得到热端的温度（TH），除非咱们已知冷端的温度（TC）。在热电偶的前期阶段，运用温度为0°C的冰点炉作为参阅温度（术语“冷端”由此而来），由于这种办法的本钱低、简单完成，而且可以自我调节温度。等效电路如见图4所示。
图4：热电偶需求一个参阅温度，图中所示的0°C，以便核算不知道温度TH。
虽然咱们知道图4所示电路的参阅温度，但通过积分来得到TH不太切合实践。所以呈现了支撑常见热电偶类型的规范参阅表，通过查表即可得到相应电压输出的对应温度。可是，有必要紧记一点：一切规范热电偶参阅表都是以0°C作为参阅点制作的。
热电偶体系
现代热电偶由一端（TH）衔接在一起的两根不同的金属丝组成。在金属丝对的开路端丈量电压。依据图5所示的等效电路，VC与上图3中的公式9相同。
（式10）
图5：选用冷端补偿的现代热电偶装备。
冷端补偿
冷端补偿冷端（TC）温度可设定为冰点炉的0°C，但在实践运用中，咱们不运用冰水桶作为参阅温度。运用CJC （冷端补偿）办法，可在不运用0°C冷端温度的状况下核算得到热端温度。乃至冷端温度纷歧定是稳定的。该办法只是运用一个独立的温度传感器来丈量TC点的温度。假如已知TC，就能得到TH。
假如咱们运用温度传感器丈量冷端温度，那么为什么不运用这个传感器直接丈量热端的温度呢？您可以看到，冷端温度规模比热端温度规模窄得多，所以温度传感器不需求支撑热电偶支撑的极点温度。
运用CJC核算热端温度
如上所述，一切规范热电偶参阅表都是在冷端为0°C时得到的。那么怎么运用参阅表得到热端温度呢？试想一下，将以上热电偶的开路端延伸，设想端点衔接至温度为0°C的结点（图6）。假如咱们可以核算得到V0值，运用参阅表就很简单得到对应的热端温度。
图6：将延伸后的热电偶衔接到0°C结点，即可确认不知道热端温度TH。
确认V0
（式11）
重新整理上式：
（式12）
（式13）
（式14）
式13的第一项与式10 （由图5得到）彻底相同。等效电压输出为VC，为已知值，由于冷端的温度是由电压表测得的。第二项等效于热电偶在热端温度等于TC、冷端温度等于0°C时的输出。 由于TC也是由独立的温度传感器测得的，咱们可运用规范参阅表查找得到式13中第二项的对应塞贝克电压（Vi）：
（式15）
运用该V0值，即可通过规范参阅表确认TH时的对应温度。
运用冷端补偿核算热端温度的进程分为以下几步：
• 运用温度传感器丈量冷端温度（TC）。
• 丈量冷端温度。
• 通过规范参阅表将TC转化为电压（Vi）。
• 核算 V0=Vi+VC.
• 通过规范参阅表将V0转化为温度TH。
规范热电偶参阅表可拜见NIST ITS-90热电偶数据库。假如由于内存或其它原因无法在微控制器中完成查找表，NIST ITS-90网站也针对每种热电偶类型供给了一组公式，可用于温度和电压之间的彼此转化。
体系规划关键
至此，以上评论仅限于热电偶的理论知识。为优化实践体系的精度，有几个事项需求留意。根本热电偶信号链（图7）中的每个器材都将影响转化精度，有必要严厉选择，以将差错降至最低。
图7：热电偶丈量体系的根本元件包含扩大器和ADC，以及之后可核算不知道温度的微控制器。
System board： 体系电路板
Amplifier： 扩大器
Temp sensor： 温度传感器
从图7的左边开端，热电偶衔接至体系电路板的衔接器。热电偶自身也是传感器，也或许是差错源。较长的热电偶很简单拾取周围环境的电磁噪声；屏蔽线可有用下降噪声。 接下来的元件是扩大器，它具有高输入阻抗十分重要，由于扩大器的输入阻抗和热电偶电阻构成一个分压器。扩大器输入阻抗越高，发生的差错越小。
（式16）
此外，扩大器增大热电偶输出，热电偶输出一般为毫伏规模。虽然扩大器的高闭环增益一起扩大信号和噪声，但在ADC输入上添加低通滤波器可消除大部分噪声。由于温度改变不会十分快，此类运用的ADC转化率一般十分低——或许每秒只采样几回，所以低通滤波器十分有用。
最终，板载温度传感器需求十分接近冷端衔接器（抱负状况是与热电偶丝的结尾触摸，但许多状况下条件不允许），取得最好的冷端温度丈量成果。冷端丈量中的任何差错都将体现在热端温度核算中。
热电偶电路实例及测验成果
不管规划自己的热电偶丈量电路仍是选用参阅规划，都需求验证其精度。以下介绍MAXREFDES67#参阅规划（图8）的精度验证。
图8：MAXREFDES67#是用于热电偶和RTD的参阅规划，可丈量电压和电流，然后丈量温度，丈量温度规模为-40°C至150°C。
为了举例说明怎么最大程度减小丈量差错，咱们首先以热电偶体系为例，例如Maxim的MAXREFDES67参阅规划。为了验证该丈量体系或任何丈量体系的差错，需求一个已知温度和值得信任的外表，用于比较。本例中，咱们运用三个参阅温度计：Omega HH41测温仪（现在被HH42替代）、ETI参阅温度计和Fluke 724温度校准器。 衔接到MAXREFDES67#的K型热电偶置于Fluke 7341校准炉中，并在20°C下进行校准。蓝点数据以Omega HH41作为参阅，绿点数据运用ETI设备为参阅。红点数据显现的最大差错小于0.1°C，根据Fluke 724校准器，但与之前测验不同的是，Fluke 724未用作参阅仪器。模仿抱负K型热电偶输出，并将MAXREFDES67#的输入与热电偶延伸线相连。图9所示为测验成果。
图9. 运用Omnitec EC3TC（K型热电偶，在20°C下通过校准），评价MAXREFDES67#的差错与温度联系，并将其与其它三款参阅测温仪进行比较。成果标明达到了十分高的精度。
图10：MAXREFDES67#参阅规划框图。
总结
热电偶在工业温度丈量运用范畴具有许多优势，包含温度规模、呼应时刻、本钱和耐久性。热电偶理论稍微有些杂乱，但咱们有必要彻底了解，然后可以进行正确丈量以及从电压到温度的高精度转化。MAXREFDES67#参阅规划选用MAX11254和MAX6126这两款芯片，特别适合于热电偶测温这种噪声灵敏的小信号，高精度的丈量运用。其间，MAX11254为6通道、24位、Δ-Σ ADC，在完成低噪声高精度的一起下降了10倍功耗；MAX6126是一款超低噪声、超高精度、低压差的串联型电压基准，温度系数为3ppm/°C （最大），具有超卓的±0.02% （最大）初始精度。
