全面剖析熱電耦工作原理

作者：Bruce Trump，德州儀器 (TI)

或許您從來都沒有使用過熱電耦，假設(shè)您沒有必要知道其工作原理，但我不同意這一觀點。我相信花上十分鐘閱讀相關(guān)資料是非常值得的。如果您已經(jīng)非常熟悉其工作原理了，那么在我做錯的時候請告知我。

熱電耦是由兩種不同金屬制成的溫度測量傳感器。它們有可能是銅制的或鐵制的，也可能是由特殊的金屬混合物制成的。不同金屬材質(zhì)的兩根導(dǎo)線在一個結(jié)點處相連接（這給我們提供了第一個重要的點）——在節(jié)點處沒有電壓，這和您要連接的任何兩根導(dǎo)線一樣，在連接處不會產(chǎn)生電壓。

現(xiàn)在我們知道了：當導(dǎo)體的一端與其另一端的溫度不一樣時，在導(dǎo)線的兩端就會產(chǎn)生一個電壓。沒錯這是真的！無論該導(dǎo)線的電阻如何其只表現(xiàn)為電壓而沒有電流流動——這就是塞貝克效應(yīng)。如果我們使用兩種不同的金屬，那么將會產(chǎn)生兩個不同的電壓，并且二者的電壓差可以在開路末端測量到，請參見圖 1。請注意，如果您想測量出相同金屬單根導(dǎo)線的絕對塞貝克電壓，那么您所測量的導(dǎo)線會產(chǎn)生相相同的電壓，測量值為零。您只能測量不同導(dǎo)線對之間的差。

在完成該測量過程中，您需要在測量端創(chuàng)建一個或兩個以上的結(jié)點（如果兩根導(dǎo)線都不是銅導(dǎo)線的話就要創(chuàng)建兩個結(jié)點）。我們稱之為冷結(jié)點，這是因為一般而言（并非經(jīng)常）在進行測量的一端的溫度比沒有進行測量的那一端的溫度會高些。

熱電耦只測量溫差。請注意，在圖 1 中您測量了兩種示例情況下的相同電壓。熱結(jié)點和冷結(jié)點間 100°C 的溫差將產(chǎn)生 4.1mV 的電壓。獲取熱端絕對溫度測量的老式方法是將冷結(jié)點浸入一個冰冷的水中（這是被稱作冷結(jié)點的另一個原因）。已發(fā)布的熱電耦參數(shù)表假設(shè)冷結(jié)點為 0°C。

如果您想知道熱結(jié)點的絕對溫度但不想用冷水浸沒法的話，您就必須要知道冷結(jié)點的溫度。該測量可以使用諸如 TMP20 或 ADS1118（與A/D轉(zhuǎn)換器配合）、thermistor、RTD或其他可以測量絕對溫度（而非相對溫度）的半導(dǎo)體傳感器完成。根據(jù)測量的冷結(jié)點溫度（請參見圖 2）一個與熱電耦系數(shù)相同的電壓被加了進來。這一工作可以以模擬形式完成也可以以數(shù)字形式完成，稱為冷結(jié)點補償。如果冷結(jié)點為 0°C，那么這一合計的結(jié)果就是將會產(chǎn)生的電壓。

如果在冷結(jié)點處您需要一個絕對溫度傳感器，為什么不只使用該傳感器來測量熱端呢？熱電耦可以測量很寬泛的溫度范圍：低溫度測量到高達 1800°C 以上的高溫測量，具體取決于不同的類型。這或許會有其他好處，具體取決于應(yīng)用。

如果所有導(dǎo)線都產(chǎn)生相同的電壓，為什么在我們的電路中不能屢屢看到該效應(yīng)呢？在電子應(yīng)用的正常溫度下，電壓很低并且我們通常使用相同或具有相對低塞貝克系數(shù)的相似的導(dǎo)體。當我們使用不同金屬時，兩個結(jié)點的溫度通常會是一樣的。

如果您要測量微小的 DC 電壓，則您需要特別小心。例如，我們測量高精度斬波放大器的失調(diào)電壓時，我們就必須要選擇我們諸如連接器的組件和材料，并精心布線。機械布局必須假設(shè)不同導(dǎo)體的結(jié)溫與其他導(dǎo)體相近并且為熱耦。我們使用鎖存繼電器以最小化熱量并保持其他熱源不成為低電平電路。正確測量一些微電壓是一項復(fù)雜的工作，且附帶的熱電耦通常是準確度的最終極限。

編輯：jq