熱電偶,、熱電效應(yīng)和熱電效應(yīng)原理

熱電偶（thermocouple）是把兩種不同材料的金屬的一端連接起來,，利用熱電效應(yīng)來測(cè)量溫度的傳感器。

1821年，德國(guó)科學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克發(fā)現(xiàn)了電流熱效應(yīng)的逆效應(yīng)：即當(dāng)給一段金屬絲的兩端施加不同溫度時(shí),，金屬絲兩端會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，閉合回路后金屬絲中會(huì)有電流流過,。這種現(xiàn)象被稱為“熱電效應(yīng)”,，也叫“塞貝克效應(yīng)”。

熱電效應(yīng)原理：如圖1,，用兩種不同顏色表示兩種不同的金屬材料,，A、B 端在常溫環(huán)境中用于測(cè)溫端口,，稱為冷端,。C點(diǎn)為被測(cè)端，由于熱電效應(yīng),，在 A端和C端以及B端和C端之間溫度不同,，所以會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。而因?yàn)閮煞N金屬材料的不同,，導(dǎo)致這兩個(gè)電勢(shì)差不一樣,，最終A端和B端也有了電勢(shì)差，經(jīng)測(cè)量AB之間的電勢(shì)差,，再對(duì)參考金屬特性值和冷端溫度進(jìn)行查表校準(zhǔn),，最后就可以通過測(cè)量AB端輸出的電勢(shì)差來得到對(duì)應(yīng)C端的溫度值了。

圖1

熱電偶種類

中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶從1988年1月1日起按IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),，并指定S,、R,、B、K,、J,、T、N,、E八種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為中國(guó)統(tǒng)一設(shè)計(jì)型熱電偶（如圖2）,。

圖2

S、R,、B型熱電偶使用的金屬比較貴重,，所以價(jià)格相對(duì)較高；K,、T,、J、N,、E型熱電偶使用的金屬比較廉價(jià),，所以相對(duì)價(jià)格較便宜。下面介紹這幾種熱電偶的測(cè)溫范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)：

S,、R,、B型熱電偶

S、R型和B型熱電偶長(zhǎng)期最高使用溫度分別為1300℃和1600℃,，短期最高使用溫度分別為1600℃和1800℃,。優(yōu)勢(shì)：具有準(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好,，測(cè)溫溫區(qū)寬,，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。它的物理,、化學(xué)性能良好,，熱電勢(shì)穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中,。

S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能,，符合國(guó)際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，曾長(zhǎng)期作為國(guó)際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器,?！癐TS-90”雖被規(guī)定今后不再作為國(guó)際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，但國(guó)際溫度咨詢委員會(huì)（CCT）認(rèn)為,，S型熱電偶仍可用于近似實(shí)現(xiàn)國(guó)際溫標(biāo),。

R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當(dāng)。B型熱電偶與S和R相似，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中,。但其明顯的優(yōu)點(diǎn)是不需用補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行補(bǔ)償,，因?yàn)樵?~50℃范圍內(nèi)熱電勢(shì)小于3μV。

T,、R,、B型熱電偶劣勢(shì)：此類熱電偶的熱電勢(shì)率較小，靈敏度低,，高溫下機(jī)械強(qiáng)度下降,，對(duì)污染非常敏感,，貴金屬材料昂貴,。

K、N,、E,、J、T型熱電偶

測(cè)溫范圍以及優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)見表1：

補(bǔ)充：N型熱電偶克服了K型熱電偶的兩個(gè)重要缺點(diǎn)：K型熱電偶在300~500℃間,，由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定,；在800℃左右，由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定,?！?/span>

表1

熱電偶的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

a.溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度范圍,。熱電偶測(cè)量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間,，具體取決于所使用的金屬線。

b.堅(jiān)固耐用：熱電偶屬于耐用器件,，抗沖擊振動(dòng)性好,，適合于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。

c.響應(yīng)快：因?yàn)樗鼈凅w積小,，熱容量低,，熱電偶對(duì)溫度變化響應(yīng)快，尤其在感應(yīng)接合點(diǎn)裸露時(shí),。它們可在數(shù)百毫秒內(nèi)對(duì)溫度變化作出響應(yīng),。

d.無自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵(lì)電源，因此不易自發(fā)熱,，其本身是安全的,。

缺點(diǎn)：

a.信號(hào)調(diào)理復(fù)雜：將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必須進(jìn)行大量的信號(hào)調(diào)理。一直以來,，信號(hào)調(diào)理耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)時(shí)間,，處理不當(dāng)就會(huì)引入誤差，導(dǎo)致精度降低。

b.精度低：除了由于金屬特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不精確性外,，熱電偶測(cè)量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測(cè)量精度,，一般在1°C至2°C內(nèi)。

c.易受腐蝕：因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬所組成,，在一些工況下,，隨時(shí)間而腐蝕可能會(huì)降低精度。因此,，它們可能需要保護(hù),；且保養(yǎng)維護(hù)必不可少。

d.抗噪性差：當(dāng)測(cè)量毫伏級(jí)信號(hào)變化時(shí),，雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲可能會(huì)引起問題,。絞合的熱電偶線對(duì)可能大幅降低磁場(chǎng)耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護(hù)可降低電場(chǎng)耦合,。測(cè)量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號(hào)過濾,，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。

熱電偶和熱電阻的選擇要素

我們可以根據(jù)以下要素來進(jìn)行熱電偶和熱電阻的選擇,。

需要測(cè)量的溫度范圍：500℃以上一般選擇熱電偶,，500℃以下看應(yīng)用環(huán)境來選擇。

測(cè)量范圍選擇：熱電偶所測(cè)量的一般指“點(diǎn)”溫,，熱電阻通常用于測(cè)量空間溫度,。

冷端補(bǔ)償

由于熱電效應(yīng)的原理。因此,，需要一個(gè)額外的溫度傳感器來測(cè)量參考點(diǎn)溫度,，此參考點(diǎn)也就是我們常說的冷端補(bǔ)償點(diǎn)。

常見的幾種冷端補(bǔ)償傳感器分別如下：

1.熱敏電阻：響應(yīng)快,、封裝小,。但要求線性，精度有限,，尤其在寬溫度范圍內(nèi),。要求激勵(lì)電流，會(huì)產(chǎn)生自發(fā)熱,，引起漂移,。結(jié)合信號(hào)調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)精度差，只適合測(cè)量精度低,、低成本的應(yīng)用場(chǎng)合,。

2.電阻式溫度測(cè)量器（RTD）：RTD相比熱敏電阻，更佳精確,、穩(wěn)定且特性線性,，但封裝尺寸和成本，相對(duì)熱敏電阻高。因?yàn)樾枰己闷ヅ涞募?lì)源和采樣電路,，所以設(shè)計(jì)相對(duì)更復(fù)雜,，需要的外圍器件更好。用RTD作為冷端補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y(cè)量系統(tǒng),，通常對(duì)系統(tǒng)級(jí)精密度要求更高,。

3.集成式溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種以半導(dǎo)體工藝制成的集成式測(cè)溫元件。通過半導(dǎo)體工藝技術(shù),，將測(cè)溫等模擬單元獲得的信息數(shù)字化輸出,，高集成度，可獲得遠(yuǎn)低于1°C的系統(tǒng)級(jí)精度,。外圍電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,，可直接和MCU進(jìn)行通訊，同樣針對(duì)高精度熱電偶采集系統(tǒng)的冷端補(bǔ)償方案,，使用和設(shè)計(jì)都最為簡(jiǎn)單,。

集成式溫度傳感器ADT7320

技術(shù)型授權(quán)代理商Excelpoint世健的工程師David Liu介紹了一款ADI典型的,、用于冷端補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅鳌?ADT7320,。功能框圖如圖3:

圖3

ADT7320是一款高精度數(shù)字溫度傳感器，使用16位ADC來監(jiān)測(cè)和數(shù)字化溫度參數(shù),，其分辨率為0.0078°C,。默認(rèn)情況下，ADC分辨率設(shè)置為13Bit (0.0625°C),。其原理是,，內(nèi)部溫度傳感器產(chǎn)生與絕對(duì)溫度成比例的電壓，這個(gè)電壓與內(nèi)部的參考電壓做比較,，然后輸入到精密數(shù)字調(diào)制器中,。

內(nèi)部溫度傳感器在整個(gè)額定溫度范圍內(nèi)具有較高的精度和線性度，無需用戶進(jìn)行校正或校準(zhǔn),。

另外,，它擁有過溫報(bào)警功能，對(duì)功能安全性帶來保障,。外輸出端口,、INT和CT，使其可以在超高溫或低溫的情況下,，通過一個(gè)10K的上拉電阻,，直接向后端MCU發(fā)出中斷信號(hào)。

ADI可提供的熱電偶測(cè)量之模擬前端

AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 熱電偶放大器為熱電偶溫度測(cè)量信號(hào)調(diào)理前端提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案,。針對(duì)熱電偶采樣端,，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)中往往還要考慮其共模干擾信號(hào)，以及ESD和過壓保護(hù)等因素。

圖4

AD849x專為測(cè)量和放大J型和K型熱電偶信號(hào)而優(yōu)化,，通過CMOS工藝不僅在其前端集成了ESD和過壓保護(hù)功能,，其優(yōu)異的抗共模能力使其擁有5mV/°C系統(tǒng)級(jí)線性響應(yīng)Vout=（TMJ × 5 mV/°C）+VREF，其中TMJ表示熱電偶的測(cè)量結(jié)溫,。AD849x同系差異化對(duì)比如圖5：

圖5

ADI可提供的熱電偶測(cè)量之集成方案篇

David Liu介紹,，ADI可提供多款熱電偶測(cè)量集成方案。

AD7124

AD7124-4/AD7124-8是一款以24bit ADC為核心,，內(nèi)部高集成MUX,、PGA、REF等,，針對(duì)熱電偶熱電阻測(cè)量直接接入型的完整解決方案,。可實(shí)現(xiàn)高分辨率,、低噪聲性能和低非線性度誤差能力,。

片內(nèi)低噪聲PGA，可通過軟件靈活調(diào)整增益編程范圍（1,、2,、4、8,、16,、32、64,、128）,，來調(diào)整輸入信號(hào)的幅度，達(dá)到ADC的有效采樣范圍,。增益級(jí)具有高輸入阻抗,，輸入漏電流在全功率模式下不超過3.3 nA，在低功耗模式下為1 nA（典型值）,。

圖6所示電路是針對(duì)典型的熱電偶,，用RTD作冷端補(bǔ)償?shù)膮⒖荚O(shè)計(jì)。使用兩個(gè)模擬輸入引腳來連接熱電偶（AIN2,、AIN3）,，以及三線RTD電路（AIN1、AIN6,、AIN7）,。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道，用于測(cè)量熱電偶產(chǎn)生的電壓,。對(duì)于本電路,，如圖6所示,，熱電偶是浮空的。要將熱電偶偏置到已知電平,，AIN2上使能VBIAS電壓發(fā)生器,，使熱電偶偏置到以下值：

熱電偶測(cè)量是絕對(duì)測(cè)量，因而需要一個(gè)基準(zhǔn)電壓源,，使用AD7124-4/AD7124-8內(nèi)置2.5 V基準(zhǔn)電壓源,。

針對(duì)冷結(jié)補(bǔ)償，一個(gè)激勵(lì)電流源用于激勵(lì)RTD,。此電流從AVDD產(chǎn)生,，流向AIN1。圖6詳細(xì)顯示了模擬引腳及其配置,。

對(duì)于本電路,，冷結(jié)電路采用基準(zhǔn)輸入REFIN1(±)。流經(jīng)4線RTD（用于冷結(jié)測(cè)量）的電流也會(huì)流過精密基準(zhǔn)電阻,，產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓,。 此精密基準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD上的電壓成比例，因此,，激勵(lì)電流的波動(dòng)會(huì)被消除,。由于基準(zhǔn)電壓緩沖器已使能，務(wù)必滿足正常工作所需的裕量（AVDD ? 0.1 V和AVSS + 0.1 V）,。0.125 V (500 μA × 250 Ω)的裕量由250 Ω接地電阻提供,，如圖6所示。

圖6

LTC298X

LTC298X測(cè)量各種溫度傳感器并數(shù)字輸出結(jié)果（以°C或°F為單位）,，具有0.1°C精度和 0.001° C 分辨率。LTC298X可以測(cè)量幾乎所有標(biāo)準(zhǔn)（B,、E,、J、K,、N,、S、R,、T 型）或自定義熱電偶的溫度,，自動(dòng)補(bǔ)償冷端溫度并實(shí)現(xiàn)結(jié)果線性化。該器件還可以使用標(biāo)準(zhǔn)的2,、3或4 線式 RTD,、熱敏電阻和二極管來測(cè)量溫度。它具有20個(gè)可重新配置的模擬輸入,，支持許多傳感器連接和配置選項(xiàng),。LTC298X包括適用于每種溫度傳感器的激勵(lì)電流源和故障檢測(cè)電路,。

LTC298X可直接與接地參考傳感器接口，無需電平轉(zhuǎn)換器,、負(fù)電源電壓或外部放大器,。所有信號(hào)通過由內(nèi)部 10ppm/°C（最大值）基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動(dòng)的三個(gè)高精度、24位 ΔΣ ADC 進(jìn)行緩沖和同步數(shù)字化,。

圖7

AD7124 or LTC298X

精度：LTC298x具有 0.1°C 的準(zhǔn)確度,，AD7124在測(cè)量在?50℃至+200℃的測(cè)量溫度范圍內(nèi)具有±1℃的整體系統(tǒng)精度。

通道：冷端補(bǔ)償以4線RTD為例,，LTC298x可以測(cè)量15路熱電偶,，AD7124-4可以測(cè)量2路熱電偶，AD7124-8可以測(cè)量6路熱電偶,。

相對(duì)成本因素：LTC298X比AD7124較高,，但它在提供更多采樣路數(shù)的同時(shí)，減少了設(shè)計(jì)者對(duì)其校準(zhǔn)的相關(guān)要求,。而相對(duì)成本較低的AD7124-X,，雖同樣擁有較高的系統(tǒng)級(jí)采樣精度，但可測(cè)量的路數(shù)較少,，并且需要設(shè)計(jì)者對(duì)系統(tǒng)校準(zhǔn)花費(fèi)一定的精力,。

保護(hù)：LTC298x系列產(chǎn)品帶燒毀，短路和故障的自動(dòng)檢測(cè)功能,。

總結(jié)

針對(duì)熱電偶溫度采集,，世健可以提供專業(yè)、精確,、靈活的ADI熱電偶測(cè)量產(chǎn)品和方案,，以及系統(tǒng)級(jí)采樣方案，給設(shè)計(jì)者帶來便捷,！

關(guān)于世健——亞太區(qū)領(lǐng)先的元器件授權(quán)代理商

世健是完整解決方案的供應(yīng)商,，為亞洲電子廠商包括原設(shè)備生產(chǎn)商(OEM)、原設(shè)計(jì)生產(chǎn)商(ODM)和電子制造服務(wù)提供商(EMS)提供優(yōu)質(zhì)的元器件,、工程設(shè)計(jì)及供應(yīng)鏈管理服務(wù),。

世健與供應(yīng)商及電子廠商緊密協(xié)作，為新的科技與趨勢(shì)作出定位,，并幫助客戶把這些最先進(jìn)的科技揉合于他們的產(chǎn)品當(dāng)中,。集團(tuán)分別在新加坡、中國(guó)及越南設(shè)有研發(fā)中心,，專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷創(chuàng)造新的解決方案,，幫助客戶提高成本效益并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。世健研發(fā)的完整解決方案及參考設(shè)計(jì)可應(yīng)用于工業(yè),、無線通信及消費(fèi)電子等領(lǐng)域,。

世健是新加坡的主板上市公司,，總部設(shè)于新加坡，擁有約650名員工,，業(yè)務(wù)范圍已擴(kuò)展至亞太區(qū)40多個(gè)城市和地區(qū),，遍及新加坡、馬來西亞,、泰國(guó),、越南、中國(guó),、印度,、印度尼西亞、菲律賓及澳大利亞等十多個(gè)國(guó)家,。世健集團(tuán)在2020年的年?duì)I業(yè)額超過11億美元,。1993年，世健在香港設(shè)立區(qū)域總部——世健系統(tǒng)（香港）有限公司,，正式開始發(fā)展中國(guó)業(yè)務(wù),。目前，世健在中國(guó)擁有十多家分公司和辦事處,，遍及中國(guó)主要大中型城市,。憑借專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)、頂尖的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用支持以及豐富的市場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),，世健在中國(guó)業(yè)內(nèi)享有領(lǐng)先地位,。