使用熱電偶測量溫度的兩種方法具有簡單、準確和靈活的特點

作者：Matthew Duff and Joseph Towey

熱電偶是一種簡單、廣泛使用的用于測量溫度的元件。本文提供了熱電偶的基本概述，描述了使用熱電偶進行設計時遇到的常見挑戰(zhàn)，并提出了兩種信號調理解決方案。第一種解決方案將參考接合點補償和信號調理功能集成在單個模擬IC中，以方便易用;第二種解決方案將參考接合點補償與信號調理分離，以提供具有更大靈活性和精度的數(shù)字輸出溫度檢測。

熱電偶理論

圖1所示的熱電偶由兩根不同金屬線組成，一端連接在一起，稱為測量（“熱”）結。另一端，即導線未連接的地方，連接到信號調理電路走線，通常由銅制成。熱電偶金屬和銅走線之間的這種結稱為參考（“冷”）結。

圖1.熱電偶。

*我們使用術語“測量結”和“參考結”，而不是更傳統(tǒng)的“熱端”和“冷端”。傳統(tǒng)的命名系統(tǒng)可能會令人困惑，因為在許多應用中，測量結可能比參考結冷。

參考接合點產生的電壓取決于測量接合點和參考接合點的溫度。由于熱電偶是差分器件而不是絕對溫度測量器件，因此必須知道參考結溫才能獲得準確的絕對溫度讀數(shù)。此過程稱為參考端補償（冷端補償）。

熱電偶已成為以合理的精度經濟高效地測量各種溫度的行業(yè)標準方法。它們用于鍋爐、熱水器、烤箱和飛機發(fā)動機等高達 +2500°C 的各種應用。最受歡迎的熱電偶是K型，由鉻和鋁合金（分別含有鉻的商標鎳合金以及鋁，錳和硅）組成，測量范圍為–200°C至+ 1250°C。??

為什么使用熱電偶？

優(yōu)勢

溫度范圍：大多數(shù)實用的溫度范圍，從低溫到噴氣發(fā)動機排氣，都可以使用熱電偶。根據(jù)所使用的金屬線，熱電偶能夠測量–200°C至+2500°C范圍內的溫度。

堅固耐用： 熱電偶是堅固耐用的設備，不受沖擊和振動的影響，適用于危險環(huán)境。

快速響應：由于熱電偶體積小且熱容量低，因此對溫度變化反應迅速，尤其是在檢測結暴露的情況下。它們可以在幾百毫秒內對快速變化的溫度做出反應。

無自熱：由于熱電偶不需要激勵功率，因此它們不易自發(fā)熱，并且本質安全。

弊

復雜的信號調理：為了將熱電偶電壓轉換為可用的溫度讀數(shù)，需要進行大量的信號調理。傳統(tǒng)上，信號調理需要在設計時間上進行大量投資，以避免引入降低精度的錯誤。

精度：除了熱電偶由于其冶金特性而固有的不準確性外，熱電偶測量的精度僅與可以測量的參考結溫一樣精確，傳統(tǒng)上在1°C至2°C范圍內。

易腐蝕性：由于熱電偶由兩種不同的金屬組成，因此在某些環(huán)境中，隨著時間的推移腐蝕可能會導致精度下降。因此，他們可能需要保護;護理和維護至關重要。

對噪聲的敏感性：當測量微伏級信號變化時，雜散電場和磁場的噪聲可能是一個問題。絞合熱電偶線對可以大大減少磁場拾取。在金屬導管和防護裝置中使用屏蔽電纜或導線可以減少電場拾取。測量設備應通過硬件或軟件提供信號濾波，強烈抑制線路頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。

使用熱電偶測量的困難

將熱電偶產生的電壓轉換為精確的溫度讀數(shù)并不容易，原因有很多：電壓信號小，溫度-電壓關系非線性，需要參考結補償，以及熱電偶可能造成接地問題。讓我們一一考慮這些問題。

電壓信號小：最常見的熱電偶類型是J，K和T。在室溫下，它們的電壓分別在52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C變化。其他不太常見的類型隨溫度的變化電壓甚至更小。這種小信號在模數(shù)轉換之前需要一個高增益級。表1比較了各種熱電偶類型的靈敏度。

表 1.25°C時各種熱電偶類型的電壓變化與溫升
（塞貝克系數(shù)）。

?

?

由于電壓信號很小，信號調理電路通常需要大約100左右的增益，這是相當簡單的信號調理。更困難的是將實際信號與熱電偶引線上拾取的噪聲區(qū)分開來。熱電偶引線很長，經常穿過電噪聲環(huán)境。引線上拾取的噪聲很容易壓倒微小的熱電偶信號。

通常結合兩種方法從噪聲中提取信號。第一種是使用差分輸入放大器（如儀表放大器）來放大信號。由于大部分噪聲出現(xiàn)在兩根導線上（共模），因此差分測量可以消除噪聲。第二種是低通濾波，可消除帶外噪聲。低通濾波器應消除可能導致放大器整流的射頻干擾（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz（電源）嗡嗡聲。將射頻干擾濾波器放在放大器之前（或使用具有濾波輸入的放大器）非常重要。50 Hz/60 Hz濾波器的位置通常并不重要，它可以與RFI濾波器結合使用，放置在放大器和ADC之間，作為Σ-Δ ADC的一部分，也可以在軟件中編程為平均濾波器。

參考接合點補償：必須知道熱電偶參考結的溫度才能獲得準確的絕對溫度讀數(shù)。當首次使用熱電偶時，這是通過將參考結保持在冰浴中來完成的。圖2描述了一個熱電偶電路，其一端處于未知溫度，另一端在冰?。?°C）中。該方法用于詳盡地表征各種熱電偶類型，因此幾乎所有熱電偶表都使用0°C作為參考溫度。

圖2.基本鐵-康銅熱電偶電路。

但是，對于大多數(shù)測量系統(tǒng)來說，將熱電偶的參考結保持在冰浴中是不切實際的。相反，大多數(shù)系統(tǒng)使用一種稱為參考端補償（也稱為冷端補償）的技術。參考結溫由另一個對溫度敏感的器件（通常是IC、熱敏電阻、二極管或RTD（電阻溫度檢測器））測量。然后對熱電偶電壓讀數(shù)進行補償，以反映參考結溫。盡可能準確地讀取參考接合點非常重要，并且精確的溫度傳感器應保持在與參考接合點相同的溫度。讀取參考結溫的任何錯誤都將直接顯示在最終的熱電偶讀數(shù)中。

有多種傳感器可用于測量參考溫度：

熱敏電阻：響應速度快，封裝小;但它們需要線性化且精度有限，尤其是在寬溫度范圍內。它們還需要電流進行激勵，這會產生自發(fā)熱，導致漂移。當與信號調理結合使用時，整體系統(tǒng)精度可能很差。

電阻溫度檢測器（RTD）：RTD精確、穩(wěn)定且線性合理，但封裝尺寸和成本限制了其在過程控制應用中的使用。

遠程熱二極管：二極管用于檢測熱電偶連接器附近的溫度。調理芯片將與溫度成比例的二極管電壓轉換為模擬或數(shù)字輸出。其精度限制在約±1°C。

集成溫度傳感器：集成溫度傳感器是在本地檢測溫度的獨立IC，應小心地安裝在參考接合點附近，并且可以結合參考接合點補償和信號調理。精度可在 1°C 的一小部分以內。

電壓信號是非線性的： 熱電偶響應曲線的斜率隨溫度變化。例如，在0°C時，T型熱電偶輸出在39 μV/°C時變化，但在100°C時，斜率增加到47 μV/°C。

有三種常見的方法來補償熱電偶的非線性。

選擇曲線中相對平坦的部分，并將該區(qū)域的斜率近似為線性，這種方法特別適用于有限溫度范圍內的測量。無需復雜的計算。K型和J型熱電偶受歡迎的原因之一是它們都具有較大的溫度范圍，靈敏度的增量斜率（塞貝克系數(shù)）保持相當恒定（見圖3）。

圖3.熱電偶靈敏度隨溫度的變化。請注意，從41°C到0°C，K型的塞貝克系數(shù)大致恒定在約1000μV/°C。

另一種方法是在內存中存儲一個查找表，該查找表將一組熱電偶電壓中的每一個與其各自的溫度相匹配。然后在表中兩個最近的點之間使用線性插值來獲取其他溫度值。

第三種方法是使用高階方程來模擬熱電偶的行為。雖然這種方法最準確，但它也是計算量最大的。每個熱電偶有兩組方程。一組將溫度轉換為熱電偶電壓（用于參考結補償）。另一組將熱電偶電壓轉換為溫度。熱電偶表和高階熱電偶方程可在 http://srdata.nist.gov/its90/main/ 中找到。表格和公式均基于0°C的參考結溫。 如果參考接合點處于任何其他溫度，則必須使用參考接合點補償。

接地要求：熱電偶制造商為測量結制造帶有絕緣和接地尖端的熱電偶（圖 4）。

圖4.熱電偶測量結類型。

熱電偶信號調理的設計應避免在測量接地熱電偶時出現(xiàn)接地環(huán)路，但在測量絕緣熱電偶時，還應為放大器輸入偏置電流提供路徑。此外，如果熱電偶尖端接地，則放大器輸入范圍應設計為處理熱電偶尖端和測量系統(tǒng)接地之間的任何接地電位差異（圖 5）。

圖5.使用不同尖端類型時的接地選項。

對于非隔離系統(tǒng)，雙電源信號調理系統(tǒng)通常更適合接地尖端和裸露尖端類型。由于其寬共模輸入范圍，雙電源放大器可以處理PCB（印刷電路板）接地與熱電偶尖端接地之間的大電壓差。如果放大器的共模范圍在單電源配置中具有一定的地電位以下測量能力，則單電源系統(tǒng)在所有三種尖端情況下都能令人滿意地工作。為了解決某些單電源系統(tǒng)中的共模限制，將熱電偶偏置至中間電平電壓很有用。這適用于絕緣熱電偶尖端，或者整個測量系統(tǒng)是隔離的。但是，不建議用于設計用于測量接地或裸露熱電偶的非隔離系統(tǒng)。

實用的熱電偶解決方案：熱電偶信號調理比其他溫度測量系統(tǒng)更復雜。設計和調試信號調理所需的時間會增加產品的上市時間。信號調理誤差，尤其是參考接合點補償部分的誤差，會導致精度降低。以下兩種解決方案可解決這些問題。

第一個詳細介紹了一個簡單的模擬集成硬件解決方案，將直接熱電偶測量與使用單個IC的參考結補償相結合。第二種解決方案詳細介紹了基于軟件的參考接合點補償方案，該方案提高了熱電偶測量的精度，并靈活地使用多種類型的熱電偶。

測量解決方案 1：針對簡單性進行了優(yōu)化

圖6顯示了測量K型熱電偶的原理圖。它基于使用AD8495熱電偶放大器，該放大器專門設計用于測量K型熱電偶。該模擬解決方案針對最短的設計時間進行了優(yōu)化：它具有簡單的信號鏈，無需軟件編碼。

圖6.測量解決方案1：針對簡單性進行了優(yōu)化。

這個簡單的信號鏈如何滿足K型熱電偶的信號調理要求？

增益和輸出比例因子：小熱電偶信號由AD8495的122增益放大，輸出信號靈敏度為5 mV/°C（200°C/V）。

噪：高頻共模和差分噪聲由外部RFI濾波器消除。低頻共模噪聲由AD8495的儀表放大器抑制。任何剩余的噪聲都由外部柱后濾波器解決。

參考接合點補償：AD8495內置一個溫度傳感器，用于補償環(huán)境溫度的變化，必須放置在基準接合點附近，以保持兩者處于相同溫度，以實現(xiàn)精確的參考接合點補償。

非線性校正：AD8495經過校準，可在K型熱電偶曲線的線性部分提供5 mV/°C輸出，在–2°C至+25°C溫度范圍內線性誤差小于400°C。如果需要超出此范圍的溫度，ADI公司應用筆記AN-1087介紹了如何在微處理器中使用查找表或公式來擴展溫度范圍。

處理絕緣、接地和裸露的熱電偶：圖5顯示了一個接地的1MΩ電阻，該電阻適用于所有熱電偶尖端類型。AD8495經過專門設計，采用如圖所示的單電源供電時，能夠測量地電位以下幾百毫伏的電壓。如果預計接地差分更大，AD8495也可以采用雙電源供電。

有關AD8495的更多信息：圖7所示為AD8495熱電偶放大器的框圖。放大器A1、A2和A3以及所示電阻構成儀表放大器，以適當?shù)脑鲆娣糯驥型熱電偶的輸出，以產生5 mV/°C的輸出電壓。 標有“參考結補償”的盒子內是一個環(huán)境溫度傳感器。在測量結溫保持恒定的情況下，如果參考結溫因任何原因升高，來自熱電偶的差分電壓將降低。如果微型（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495與基準接合點的熱接近，則基準接合點補償電路會向放大器注入額外的電壓，使輸出電壓保持恒定，從而補償基準溫度變化。

圖7.AD8495功能框圖

表2總結了使用AD8495的集成硬件解決方案的性能：

表 2.解決方案 1（圖 6）性能摘要

?

?

測量解決方案 2：針對準確性和靈活性進行了優(yōu)化

圖8顯示了高精度測量J型、K型或T型熱電偶的原理圖。該電路包括一個用于測量小信號熱電偶電壓的高精度ADC和一個用于測量參考結溫的高精度溫度傳感器。兩款器件均使用來自外部微控制器的SPI接口進行控制。

圖8.測量解決方案2：針對準確性和靈活性進行了優(yōu)化。

此配置如何滿足前面提到的信號調理要求？

消除噪聲并放大電壓： AD7793（如圖9所示）是一款高精度、低功耗模擬前端，用于測量熱電偶電壓。熱電偶輸出經過外部濾波，并連接到一組差分輸入AIN1（+）和AIN1（–）。然后，信號通過多路復用器、緩沖器和儀表放大器（放大小熱電偶信號）路由到ADC，ADC將信號轉換為數(shù)字信號。

圖9.AD7793功能框圖

補償參考結溫：ADT7320（詳見圖10）如果放置在足夠靠近基準接合點的位置，則可以在–0°C至+2°C范圍內精確測量至±10.85°C的參考結溫。 片內溫度傳感器產生與絕對溫度成比例的電壓，將其與內部基準電壓進行比較，并施加于精密數(shù)字調制器。調制器的數(shù)字化結果更新16位溫度值寄存器。然后可以使用SPI接口從微控制器回讀溫度值寄存器，并與ADC的溫度讀數(shù)相結合以實現(xiàn)補償。

圖 10.ADT7320功能框圖

正確的非線性度：ADT7320在整個額定溫度范圍內（–40°C至+125°C）提供出色的線性度，無需用戶進行校正或校準。因此，其數(shù)字輸出可以被認為是參考接合點狀態(tài)的準確表示。

為了確定實際的熱電偶溫度，必須使用美國國家標準與技術研究院（NIST）提供的公式將此參考溫度測量值轉換為等效熱電電壓。然后將該電壓添加到AD7793測量的熱電偶電壓中;然后將求和轉換回熱電偶溫度，再次使用NIST方程。

處理絕緣和接地熱電偶：圖8顯示了一個帶有裸露尖端的熱電偶。這提供了最佳的響應時間，但相同的配置也可以與絕緣尖端熱電偶一起使用。

表3總結了使用NIST數(shù)據(jù)的基于軟件的參考液絡部測量解決方案的性能：

表 3.解決方案 2（圖 8）性能摘要

?

?

結論

熱電偶可在相當寬的溫度范圍內提供可靠的溫度測量，但由于需要在設計時間和精度之間進行權衡，因此它們通常不是溫度測量的首選。本文提出了解決這些問題的經濟有效的方法。

第一種解決方案側重于通過基于硬件的模擬參考接合點補償技術來降低測量的復雜性。它依靠AD8495熱電偶放大器提供的集成，產生5 mV/°C輸出信號，可饋入各種微控制器的模擬輸入，從而形成簡單的信號鏈，無需軟件編程。

第二種解決方案提供最高精度的測量，還可以使用各種熱電偶類型。它是一種基于軟件的參考接合點補償技術，依靠高精度ADT7320數(shù)字溫度傳感器提供比迄今為止可實現(xiàn)的更精確的參考接合點補償測量。ADT7320經過全面校準，額定溫度范圍為–40°C至+125°C。與傳統(tǒng)的熱敏電阻或RTD傳感器測量不同，它完全透明，既不需要在電路板組裝后進行昂貴的校準步驟，也不會消耗處理器或內存資源與校準系數(shù)或線性化程序。它僅消耗微瓦的功率，避免了破壞傳統(tǒng)電阻傳感器解決方案精度的自發(fā)熱問題。

審核編輯：郭婷