导言

热电偶广泛用于各种温度检测。热电偶规划的最新发展，以及新规范和算法的出现，大大扩展了作业温度规模和精度。现在，温度检测可以在-270℃至+1750℃宽规模内到达±0.1℃的精度。为充分发挥新式热电偶才干，需求高分辩率热电偶温度丈量体系。可以分辩极小电压的低噪声、24位、Δ-Σ模/数转化器(ADC)十分合适这项使命。数据收集体系(DAS)选用24位ADC评价(EV)板，热电偶可以在很宽的温度规模内完结温度丈量。热电偶、铂电阻温度检测器(PRTD)和ADC相结合，可构成高功能温度丈量体系。选用低本钱、低功耗ADC的DAS体系，可抱负满意便携式检测的运用需求。

热电偶入门

托马斯•塞贝克在1822年发现了热电偶原理。热电偶是一种简略的温度丈量设备，由两种不同金属(金属1和金属2)组成(图1)。塞贝克发现不同的金属将发生不同的、与温度梯度有关的电势。假如这些金属焊接在一起构成温度传感器结(TJUNC，也称为温度结)，另一端未衔接的差分结(TCOLD，作为恒温参阅端)大将出现出电压，VOUT，该电压与焊接结的温度成正比。从而使热电偶输出随温度改变的电压/电荷，无需任何电压或电流鼓励。

VOUT温差(TJUNC – TCOLD)是金属1及金属2的金属类型的函数。该函数在美国国家规范与技能研究院(NIST) ITS-90 热电偶数据库中严厉界说，掩盖了绝大多数有用金属1和金属2组合。运用该数据库，可依据VOUT丈量值核算相对温度TJUNC。可是，因为热电偶以差分办法丈量TJUNC，为了确认温度结的实测温度，就必须知道冷端肯定温度(单位为℃、℃或K)。一切现代热电偶体系都运用另一肯定温度传感器(PRTD、硅传感器等)精细丈量冷端温度，并进行数学补偿。

图1 热电偶简化电路

图1所示热电偶简化电路的温度公式为：
Tabs = TJUNC + TCOLD (式1)

式中：

Tabs为温度结的肯定温度。

TJUNC为温度结与基准冷端的相对温度。

TCOLD为冷端参阅端的肯定温度。

热电偶的类型各式各样，可是针对具体的工业或医疗环境可以挑选最合适的异金属对儿。这些金属和/或合金组合被NIST及世界电工委员会规范化，简写为E、J、T、K、N、B、S、R等。NIST和IEC为常见的热电偶类型供给了热电偶参阅表。

NIST和IEC还为每种热电偶类型开发了规范数学模型。这些幂级数模型选用共同的系数组合，每种热电偶类型及不同温度规模的系数都不同。

表1. 常见的热电偶类

表1所示为部分常见热电偶类型(J、K、E和S)的比如。
J型热电偶具有相对较高的塞贝克系数、高精度和低本钱，运用广泛。这些热电偶运用相对简略的线性化算法，即可到达±0.1℃的丈量精度。

K型热电偶掩盖的温度规模宽，在工业丈量范畴的运用十分广泛。这些热电偶具有适中的高塞贝克系数、低本钱及杰出的抗氧化性。K型热电偶的精度高达±0.1℃。

E型热电偶的运用没有其它类型热电偶遍及。可是，这组热电偶的塞贝克系数最高。E型热电偶所需的丈量分辩率低于其它类型。E型热电偶的丈量精度可到达±0.5℃，需求的线性化核算办法相对杂乱。

S型热电偶由铂和铑组成，这对组合可以在十分高的氧化环境下完结安稳、可复现的丈量。S型热电偶的塞贝克系数较低，本钱相对较高。S型热电偶的丈量精度可到达±1℃，需求的线性化算法相对杂乱。

运用示例

热电偶电路规划包含具有差分输入及可以分辩细小电压的高分辩率ADC、安稳的低漂移基准，以及精确丈量冷端温度的办法。

图2所示为简化原理图。MX7705是一款16位、Δ-Σ ADC，内置可编程增益放大器(PGA)，无需外部精细放大器，可以分辩来自热电偶的微伏级电压。冷端温度运用MAX6627远端二极管传感器以及坐落热电偶衔接器处、衔接成二极管的晶体管丈量。MX7705的输入共模规模扩展至低于地电势30mV，可完结有限的负温度规模。

图2 热电偶丈量电路。MX7705丈量热电偶输出，MAX6627和外部晶体管丈量冷端温度。MAX6002为MX7705供给2.5V精细电压基准。

也有针对具体运用规划的IC，用于热电偶信号调度。这些%&&&&&%集本钱地温度传感器、精细放大器、ADC和电压基准。例如，MAX31855为冷端补偿热电偶至数字转化器，可数字化K、J、N、T或E型热电偶信号。MAX31855以14位(0.25℃)分辩率丈量热电偶温度(图3)。

图3 集成冷端温度补偿的ADC，转化热电偶电压时无需外部补偿

差错剖析

冷端补偿

热电偶为差分传感器，运用温度结和冷端之间的温差发生输出电压。依据式1，只要精细测得冷端肯定温度(TREF)时，才干得到温度结的肯定温度(Tabs)。

可运用新式铂RTD (PRTD)丈量冷端肯定温度。它在很宽的温度规模内供给杰出的功能，尺度小、功耗低，本钱十分合理。

图4所示为精细DAS的简化原理图，选用了MAX11200 (24位、 Δ-Σ ADC)评价(EV)板，可完结热电偶温度丈量。本例中，运用R1 – PT1000 (PTS 1206，1000Ω)丈量冷端肯定温度。该处理计划可以以±0.30℃或更高精度丈量冷端温度。

图4 热电偶DAS简化图

如图4所示，MAX11200的GPIO设置为操控精细多路复用器MAX4782，它挑选热电偶或PRTD R1 – PT1000。该办法可运用单个ADC完结热电偶或PRTD的动态丈量。提高了体系精度，下降校准要求。

非线性差错

热电偶为电压发生设备。可是，大多数常见热电偶[2，4]的输出电压作为温度的函数出现十分高的非线性。

图4和图5中阐明，假如没有经过恰当补偿，常见的工业K型热电偶的非线性差错会超越数十摄氏度。

图5 K型热电偶的输出电压和温度联系图。曲线在-50℃至+350℃规模内线性 度较好；在低于-50℃和高于+350℃时，相关于肯定线性度存在显着差错。

IEC选用的NIST ITS-90等现代热电偶规范化处理、查找表和公式数据库，是当时体系间交换热电偶类型的根底。经过这些规范，热电偶很简略由相同或不同制造商的其它热电偶所替代，并且经过最少的体系规划更新或校准即可保证功能指标。

NIST ITS-90热电偶数据库供给了具体的查找表。经过运用规范化多项式系数，还可运用多项式在十分宽的温度规模内将热电偶电压换算成温度(℃)。

依据NIST ITS-90热电偶数据库，多项式系数为：

T = d0 + d1E + d2E² + … dNEN

(式2)

式中：

T为温度，℃。

E为VOUT——热电偶输出，mV。

dN为多项式系数，每一热电偶的系数是仅有的。

N =多项式的最大阶数。

表2所示为一个K型热电偶的NIST (NBS)多项式系数。

运用表2中的多项式系数，可以在-200℃至+1372℃温度规模内以优于±0.1℃的精度核算温度T。大多数常见热电偶都有不同系数表可用。

表2 K型热电偶系数

相同，在-200℃至0、0至+500℃和+500℃至+1372℃温度规模也可以找到相似的NIST ITS-90体系，可以以更高精度(低于±0.1℃，相关于±0.7℃)核算温度。与本来的“单”距离表进行比较即可看出这点。

ADC标准参数/剖析

表3所示为MAX11200的根本功能指标，具有图4中所示的电路特性。

表3 MAX11200的首要技能指标

本文中运用的MAX11200是一款低功耗、24位、Δ-Σ ADC，合适于需求宽动态规模、高分辩率的低功耗运用。运用该ADC，依据式3和4可核算图3电路的温度分辩率。

（式3）

(式4)

式中：

Rtlsb为热电偶在1 LSB时的分辩率。

Rtnfr为热电偶无噪声分辩率(NFR)。

VREF为基准电压。

Tcmax为丈量规模内的热电偶最大温度。

Tcmin为丈量规模内的热电偶最小温度。

Vtmax为丈量规模的热电偶最大电压。

Tcmax为丈量规模内的热电偶最小电压。

FS为ADC满幅编码，关于双极性装备的MAX11200为(223-1)。

NFR为ADC无噪声分辩率，关于双极性装备的MAX11200为(220-1)，10Sa/s时。

表4所列为运用式3和4核算表1中K型热电偶的丈量分辩率。

表4中供给了每个温度规模内的℃/LSB差错和℃/NFR差错核算值。无噪声分辩率(NFR)表明ADC可以牢靠区别的最小温度值。关于整个温度规模，NFR值低于0.1℃，关于工业和医疗运用中的大多数热电偶远远满足。

表4 K型热电偶在不同温度规模内的丈量分辩率

热电偶与MAX11200评价板的衔接

MAX11200EVKIT供给了全功能、高分辩率DAS。评价板可协助规划工程师快速完结项目开发，例如验证图4所示处理计划。

在图4所示原理图中，常见的K型OMEGA热电偶(KTSS-116 )衔接至差分评价板输入A1。运用Maxim运用笔记4875中介绍的高性价比份额计划，丈量冷端温度的肯定值。R1(PT1000)输出衔接至评价板输入A0。MAX11200的GPIO操控精细多路复用器MAX4782，复用器动态挑选将热电偶或PRTD R1输出衔接至MAX11200的输入。

K型热电偶(图3、图4)在-50℃至+350℃规模内的线性度恰当。关于有些不太严厉的运用，线性迫临公式(式5)能大大下降核算量和杂乱度。

近似肯定温度可核算为：

（式5）

式中：

E为实测热电偶输出，mV。

Tabs为K型热电偶的肯定温度，℃。

Tcj为PT1000实测的热电偶冷端温度，℃ 。

Ecj为运用Tcj核算得到的冷端热电偶等效输出，mV。

所以：

k = 0.041mV/℃——从-50℃至+350℃规模内的均匀灵敏度

可是，为了在更宽的温度规模(-270℃至+1372℃)内精细丈量，强烈建议选用多项式(式2)和系数(依据NIST ITS-90)：

(式6)

式中：

Tabs为K型热电偶的肯定温度，℃。

E为实测热电偶输出，mV。

Ecj为运用Tcj核算得到的冷端热电偶等效输出，mV。

f为式2中的多项式函数。

TCOLD为PT1000实测的热电偶的冷端温度，℃。

图7所示为图4的开发体系。该体系包含经认证的精细校准器，Fluke®-724，作为温度模拟器替代K型OMEGA热电偶。

Fluke-724校准器供给与K型热电偶在-200℃至+1300℃规模内输出相对应的精细电压，送至依据PT1000的冷端补偿模块。依据MAX11200的DAS动态挑选热电偶或PRTD丈量值，并经过USB端口将数据送至笔记本核算机。专门开发的DAS软件收集并处理热电偶和PT1000输出发生的数据。

图6 相关于直线迫临的差错，假定线性输出为从-50℃至+350℃，均匀灵敏度为k = 41μV/℃。

图7 图4开发体系

表5列出了-200℃至+1300℃温度规模内的丈量和核算值，选用式5和6。

表5 -200℃至+1300℃规模的丈量核算

如表5所示，运用式6，依据MAX11200的DAS体系在十分宽的温度规模内可到达±0.3℃数量级的精度。式5中的线性迫临法在很窄的-50℃至+350℃规模内仅能完结1℃至4℃的精度。

留意，式6需求相对杂乱的线性化核算算法。

大约十年之前，在DAS体系规划中完结此类算法会遭到技能和本钱的约束。当今的现代化处理器速度快、性价比高，处理了这些难题。

总结

最近几年，适用于-270℃至+1750℃温度规模的高性价比、热电偶温度检测技能获得较大发展。在改善温度丈量和规模的一起，本钱也愈加合理，功耗更低。

假如ADC和热电偶直接衔接，这些依据热电偶的温度丈量体系需求低噪声ADC(如MAX11200)。热电偶、PRTD和ADC集成至电路时，可以完结十分适用于便携式检测运用的高功能温度丈量体系。

MAX11200具有较高的无噪声分辩率、集成缓冲器和GPIO驱动器，可直接衔接任何传统的热电偶及高分辩率PRTD (如PT1000)，无需额定的外表放大器或专用电流源。更少的接线和更低的热差错进一步下降体系杂乱性和本钱，使规划者可以完结DAS与热电偶及冷端补偿模块的简略接口。

学习宝典：热电偶作业原理及运用实战总结