ADI热电偶丈量计划

热电偶、热电效应和热电效应原理

热电偶（thermocouple）是把两种不同资料的金属的一端衔接起来，运用热电效应来丈量温度的传感器。

1821年，德国科学家托马斯·约翰·塞贝克发现了电流热效应的逆效应：即当给一段金属丝的两头施加不同温度时，金属丝两头会发生电动势，闭合回路后金属丝中会有电流流过。这种现象被称为“热电效应”，也叫“塞贝克效应”。

热电效应原理：如图1，用两种不同色彩表明两种不同的金属资料，A、B 端在常温环境中用于测温端口，称为冷端。C点为被测端，因为热电效应，在 A端和C端以及B端和C端之间温度不同，所以会发生电势差。而因为两种金属资料的不同，导致这两个电势差不一样，终究A端和B端也有了电势差，经丈量AB之间的电势差，再对参阅金属特性值和冷端温度进行查表校准，最终就能够经过丈量AB端输出的电势差来得到对应C端的温度值了。

图1

热电偶品种

我国规范化热电偶从1988年1月1日起按IEC世界规范出产，并指定S、R、B、K、J、T、N、E八种规范化热电偶为我国一致规划型热电偶（如图2）。

图2

S、R、B型热电偶运用的金属比较宝贵，所以价格相对较高；K、T、J、N、E型热电偶运用的金属比较廉价，所以相对价格较廉价。下面介绍这几种热电偶的测温规模以及优缺陷：

S、R、B型热电偶

S、R型和B型热电偶长时刻最高运用温度别离为1300℃和1600℃，短期最高运用温度别离为1600℃和1800℃。优势：具有准确度最高，安稳性最好，测温温区宽，运用寿命长等长处。它的物理、化学功用杰出，热电势安稳性及在高温下抗氧化功用好，适用于氧化性和慵懒气氛中。

S型热电偶具有优秀的归纳功用，契合世界运用温标的S型热电偶，曾长时刻作为世界温标的内插仪器。“ITS-90”虽被规则往后不再作为世界温标的内插仪器，但世界温度咨询委员会（CCT）以为，S型热电偶仍可用于近似完成世界温标。

R型热电偶的归纳功用与S型热电偶适当。B型热电偶与S和R类似，但不适用于复原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。但其显着的长处是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃规模内热电势小于3μV。

T、R、B型热电偶下风：此类热电偶的热电势率较小，灵敏度低，高温下机械强度下降，对污染十分灵敏，贵金属资料贵重。

K、N、E、J、T型热电偶

测温规模以及优势和下风见表1：

表1

弥补：N型热电偶克服了K型热电偶的两个重要缺陷：K型热电偶在300~500℃间，因为镍铬合金的晶格短程有序而引起的热电动势不安稳；在800℃左右，因为镍铬合金发生择优氧化引起的热电动势不安稳。

热电偶的优缺陷

长处：

a.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。

b.坚固经用：热电偶归于经用器材，抗冲击振荡性好，合适于风险恶劣的环境。

c.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。

d.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：

a.信号调度杂乱：将热电偶电压转换成可用的温度读数有必要进行很多的信号调度。一直以来，信号调度消耗很多规划时刻，处理不妥就会引进差错，导致精度下降。

b.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。

c.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，它们或许需求维护；且保养维护必不可少。

d.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方法的信号过滤，有力按捺工频频率（50 Hz/60 Hz）及其谐波。

热电偶和热电阻的挑选要素

咱们能够依据以下要从来进行热电偶和热电阻的挑选。

需求丈量的温度规模：500℃以上一般挑选热电偶，500℃以下看运用环境来挑选。

丈量规模挑选：热电偶所丈量的一般指“点”温，热电阻一般用于丈量空间温度。

冷端补偿

因为热电效应的原理。因而，需求一个额外的温度传感器来丈量参阅点温度，此参阅点也便是咱们常说的冷端补偿点。

常见的几种冷端补偿传感器别离如下：

1.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，只合适丈量精度低、低本钱的运用场合。

2.电阻式温度丈量器（RTD）：RTD比较热敏电阻，更佳准确、安稳且特性线性，但封装尺度和本钱，相对热敏电阻高。因为需求杰出匹配的鼓励源和采样电路，所以规划相对更杂乱，需求的外围器材更好。用RTD作为冷端补偿的热电偶丈量体系，一般对体系级精细度要求更高。

3.集成式温度传感器：集成温度传感器是一种以半导体工艺制成的集成式测温元件。经过半导体工艺技能，将测温等模仿单元取得的信息数字化输出，高集成度，可取得远低于1°C的体系级精度。外围电路规划简略，可直接和MCU进行通讯，相同针对高精度热电偶收集体系的冷端补偿计划，运用和规划都最为简略。

集成式温度传感器ADT7320

技能型授权代理商Excelpoint世健的工程师David Liu介绍了一款ADI典型的、用于冷端补偿的温度传感器—— ADT7320。功用框图如图3：

图3

ADT7320是一款高精度数字温度传感器，运用16位ADC来监测和数字化温度参数，其分辨率为0.0078°C。默许情况下，ADC分辨率设置为13Bit （0.0625°C）。其原理是，内部温度传感器发生与肯定温度成份额的电压，这个电压与内部的参阅电压做比较，然后输入到精细数字调制器中。

内部温度传感器在整个额外温度规模内具有较高的精度和线性度，无需用户进行校对或校准。

别的，它具有过温报警功用，对功用安全性带来保证。外输出端口、INT和CT，使其能够在超高温或低温的情况下，经过一个10K的上拉电阻，直接向后端MCU宣布中止信号。

ADI可供给的热电偶丈量之模仿前端

AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 热电偶扩大器为热电偶温度丈量信号调度前端供给了一种简略的低本钱解决计划。针对热电偶采样端，在现场规划中往往还要考虑其共模搅扰信号，以及ESD和过压维护等要素。

图4

AD849x专为丈量和扩大J型和K型热电偶信号而优化，经过CMOS工艺不只在其前端集成了ESD和过压维护功用，其优异的抗共模才能使其具有5mV/°C体系级线性呼应Vout=（TMJ × 5 mV/°C）+VREF，其间TMJ表明热电偶的丈量结温。AD849x同系差异化比照如图5：

图5

ADI可供给的热电偶丈量之集成计划篇

David Liu介绍，ADI可供给多款热电偶丈量集成计划。

AD7124

AD7124-4/AD7124-8是一款以24bit ADC为中心，内部高集成MUX、PGA、REF等，针对热电偶热电阻丈量直接接入型的完好解决计划。可完成高分辨率、低噪声功用和低非线性度差错才能。

片内低噪声PGA，可经过软件灵敏调整增益编程规模（1、2、4、8、16、32、64、128），来调整输入信号的起伏，到达ADC的有用采样规模。增益级具有高输入阻抗，输入漏电流在全功率形式下不超越3.3 nA，在低功耗形式下为1 nA（典型值）。

图6所示电路是针对典型的热电偶，用RTD作冷端补偿的参阅规划。运用两个模仿输入引脚来衔接热电偶（AIN2、AIN3），以及三线RTD电路（AIN1、AIN6、AIN7）。AIN2和AIN3装备为全差分输入通道，用于丈量热电偶发生的电压。关于本电路，如图6所示，热电偶是浮空的。要将热电偶偏置到已知电平，AIN2上使能VBIAS电压发生器，使热电偶偏置到以下值：

热电偶丈量是肯定丈量，因而需求一个基准电压源，运用AD7124-4/AD7124-8内置2.5 V基准电压源。

针对冷结补偿，一个鼓励电流源用于鼓励RTD。此电流从AVDD发生，流向AIN1。图6具体显现了模仿引脚及其装备。

关于本电路，冷结电路选用基准输入REFIN1（±）。流经4线RTD（用于冷结丈量）的电流也会流过精细基准电阻，发生基准电压。 此精细基准电阻上发生的电压与RTD上的电压成份额，因而，鼓励电流的动摇会被消除。因为基准电压缓冲器已使能，必须满意正常作业所需的裕量（AVDD − 0.1 V和AVSS + 0.1 V）。0.125 V （500 μA × 250 Ω）的裕量由250 Ω接地电阻供给，如图6所示。

图6

LTC298X

LTC298X丈量各种温度传感器并数字输出成果（以°C或°F为单位），具有0.1°C精度和 0.001° C 分辨率。LTC298X能够丈量简直一切规范（B、E、J、K、N、S、R、T 型）或自定义热电偶的温度，主动补偿冷端温度并完成成果线性化。该器材还能够运用规范的2、3或4 线式 RTD、热敏电阻和二极管来丈量温度。它具有20个可重新装备的模仿输入，支撑许多传感器衔接和装备选项。LTC298X包含适用于每种温度传感器的鼓励电流源和毛病检测电路。

LTC298X可直接与接地参阅传感器接口，无需电平转换器、负电源电压或外部扩大器。一切信号经过由内部 10ppm/°C（最大值）基准电压源驱动的三个高精度、24位 ΔΣ ADC 进行缓冲和同步数字化。

图7

AD7124 or LTC298X

精度：LTC298x具有 0.1°C 的准确度，AD7124在丈量在−50℃至+200℃的丈量温度规模内具有±1℃的全体体系精度。

通道：冷端补偿以4线RTD为例，LTC298x能够丈量15路热电偶，AD7124-4能够丈量2路热电偶，AD7124-8能够丈量6路热电偶。

相对本钱要素：LTC298X比AD7124较高，但它在供给更多采样路数的一起，减少了规划者对其校准的相关要求。而相对本钱较低的AD7124-X，虽相同具有较高的体系级采样精度，但可丈量的路数较少，而且需求规划者对体系校准花费必定的精力。

维护：LTC298x系列产品带焚毁，短路和毛病的主动检测功用。

总结

针对热电偶温度收集，世健能够供给专业、准确、灵敏的ADI热电偶丈量产品和计划，以及体系级采样计划，给规划者带来快捷！