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熱電偶、熱電效應和熱電效應原理 作者：Excelpoint世健 熱電偶（thermocouple）是把兩種不同材料的金屬的一端連接起來(lái)，利用熱電效應來(lái)測量溫度的傳感器。 1821年，德國科學(xué)家托馬斯·約翰·塞貝克發(fā)現了電流熱效應的逆效應：即當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，閉合回路后金屬絲中會(huì )有電流流過(guò)。這種現象被稱(chēng)為“熱電效應”，也叫“塞貝克效應”。 熱電效應原理：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)境中用于測溫端口，稱(chēng)為冷端。C點(diǎn)為被測端，由于熱電效應，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)生電勢差。而因為兩種金屬材料的不同，導致這兩個(gè)電勢差不一樣，最終A端和B端也有了電勢差，經(jīng)測量AB之間的電勢差，再對參考金屬特性值和冷端溫度進(jìn)行查表校準，最后就可以通過(guò)測量AB端輸出的電勢差來(lái)得到對應C端的溫度值了。 
圖1 熱電偶種類(lèi) 中國標準化熱電偶從1988年1月1日起按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、R、B、K、J、T、N、E八種標準化熱電偶為中國統一設計型熱電偶（如圖2）。
圖2 S、R、B型熱電偶使用的金屬比較貴重，所以?xún)r(jià)格相對較高；K、T、J、N、E型熱電偶使用的金屬比較廉價(jià)，所以相對價(jià)格較便宜。下面介紹這幾種熱電偶的測溫范圍以及優(yōu)缺點(diǎn)： S、R、B型熱電偶 S、R型和B型熱電偶長(cháng)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：具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。它的物理、化學(xué)性能良好，熱電勢穩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，符合國際使用溫標的S型熱電偶，曾長(cháng)期作為國際溫標的內插儀器�！癐TS-90”雖被規定今后不再作為國際溫標的內插儀器，但國際溫度咨詢(xún)委員會(huì )（CCT）認為，S型熱電偶仍可用于近似實(shí)現國際溫標。 R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當。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)是不需用補償導線(xiàn)進(jìn)行補償，因為在0~50℃范圍內熱電勢小于3μV。 T、R、B型熱電偶劣勢：此類(lèi)熱電偶的熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴。 K、N、E、J、T型熱電偶 測溫范圍以及優(yōu)勢和劣勢見(jiàn)表1： 補充：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)勢不穩定；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)勢不穩定�！� 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實(shí)際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間，具體取決于所使用的金屬線(xiàn)。 b.堅固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動(dòng)性好，適合于危險惡劣的環(huán)境。 c.響應快：因為它們體積小，熱容量低，熱電偶對溫度變化響應快，尤其在感應接合點(diǎn)裸露時(shí)。它們可在數百毫秒內對溫度變化作出響應。 d.無(wú)自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。 缺點(diǎn)： a.信號調理復雜：將熱電偶電壓轉換成可用的溫度讀數必須進(jìn)行大量的信號調理。一直以來(lái)，信號調理耗費大量設計時(shí)間，處理不當就會(huì )引入誤差，導致精度降低。 b.精度低：除了由于金屬特性導致的熱電偶內部固有不精確性外，熱電偶測量精度只能達到參考接合點(diǎn)溫度的測量精度，一般在1°C至2°C內。 c.易受腐蝕：因為熱電偶由兩種不同的金屬所組成，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；且保養維護必不可少。 d.抗噪性差：當測量毫伏級信號變化時(shí)，雜散電場(chǎng)和磁場(chǎng)產(chǎn)生的噪聲可能會(huì )引起問(wèn)題。絞合的熱電偶線(xiàn)對可能大幅降低磁場(chǎng)耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導管內走線(xiàn)和防護可降低電場(chǎng)耦合。測量器件應當提供硬件或軟件方式的信號過(guò)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 我們可以根據以下要素來(lái)進(jìn)行熱電偶和熱電阻的選擇。 需要測量的溫度范圍：500℃以上一般選擇熱電偶，500℃以下看應用環(huán)境來(lái)選擇。 測量范圍選擇：熱電偶所測量的一般指“點(diǎn)”溫，熱電阻通常用于測量空間溫度。 冷端補償 由于熱電效應的原理。因此，需要一個(gè)額外的溫度傳感器來(lái)測量參考點(diǎn)溫度，此參考點(diǎn)也就是我們常說(shuō)的冷端補償點(diǎn)。 常見(jiàn)的幾種冷端補償傳感器分別如下： 1.熱敏電阻：響應快、封裝小。但要求線(xiàn)性，精度有限，尤其在寬溫度范圍內。要求激勵電流，會(huì )產(chǎn)生自發(fā)熱，引起漂移。結合信號調理功能后的整體系統精度差，只適合測量精度低、低成本的應用場(chǎng)合。 2.電阻式溫度測量器（RTD）：RTD相比熱敏電阻，更佳精確、穩定且特性線(xiàn)性，但封裝尺寸和成本，相對熱敏電阻高。因為需要良好匹配的激勵源和采樣電路，所以設計相對更復雜，需要的外圍器件更好。用RTD作為冷端補償的熱電偶測量系統，通常對系統級精密度要求更高。 3.集成式溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種以半導體工藝制成的集成式測溫元件。通過(guò)半導體工藝技術(shù)，將測溫等模擬單元獲得的信息數字化輸出，高集成度，可獲得遠低于1°C的系統級精度。外圍電路設計簡(jiǎn)單，可直接和MCU進(jìn)行通訊，同樣針對高精度熱電偶采集系統的冷端補償方案，使用和設計都最為簡(jiǎn)單。 集成式溫度傳感器ADT7320 技術(shù)型授權代理商Excelpoint世健的工程師David Liu介紹了一款ADI典型的、用于冷端補償的溫度傳感器—— ADT7320。功能框圖如圖3:
圖3 ADT7320是一款高精度數字溫度傳感器，使用16位ADC來(lái)監測和數字化溫度參數，其分辨率為0.0078°C。默認情況下，ADC分辨率設置為13Bit (0.0625°C)。其原理是，內部溫度傳感器產(chǎn)生與絕對溫度成比例的電壓，這個(gè)電壓與內部的參考電壓做比較，然后輸入到精密數字調制器中。 內部溫度傳感器在整個(gè)額定溫度范圍內具有較高的精度和線(xiàn)性度，無(wú)需用戶(hù)進(jìn)行校正或校準。 另外，它擁有過(guò)溫報警功能，對功能安全性帶來(lái)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(guò)一個(gè)10K的上拉電阻，直接向后端MCU發(fā)出中斷信號。 ADI可提供的熱電偶測量之模擬前端 AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 熱電偶放大器為熱電偶溫度測量信號調理前端提供了一種簡(jiǎn)單的低成本解決方案。針對熱電偶采樣端，在現場(chǎng)設計中往往還要考慮其共模干擾信號，以及ESD和過(guò)壓保護等因素。
圖4 AD849x專(zhuān)為測量和放大J型和K型熱電偶信號而優(yōu)化，通過(guò)CMOS工藝不僅在其前端集成了ESD和過(guò)壓保護功能，其優(yōu)異的抗共模能力使其擁有5mV/°C系統級線(xiàn)性響應Vout=（TMJ × 5 mV/°C）+VREF，其中TMJ表示熱電偶的測量結溫。AD849x同系差異化對比如圖5：
圖5 ADI可提供的熱電偶測量之集成方案篇 David Liu介紹，ADI可提供多款熱電偶測量集成方案。 AD7124 AD7124-4/AD7124-8是一款以24bit ADC為核心，內部高集成MUX、PGA、REF等，針對熱電偶熱電阻測量直接接入型的完整解決方案�？蓪�(shí)現高分辨率、低噪聲性能和低非線(xiàn)性度誤差能力。 片內低噪聲PGA，可通過(guò)軟件靈活調整增益編程范圍（1、2、4、8、16、32、64、128），來(lái)調整輸入信號的幅度，達到ADC的有效采樣范圍。增益級具有高輸入阻抗，輸入漏電流在全功率模式下不超過(guò)3.3 nA，在低功耗模式下為1 nA（典型值）。 圖6所示電路是針對典型的熱電偶，用RTD作冷端補償的參考設計。使用兩個(gè)模擬輸入引腳來(lái)連接熱電偶（AIN2、AIN3），以及三線(xiàn)RTD電路（AIN1、AIN6、AIN7）。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道，用于測量熱電偶產(chǎn)生的電壓。對于本電路，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：
熱電偶測量是絕對測量，因而需要一個(gè)基準電壓源，使用AD7124-4/AD7124-8內置2.5 V基準電壓源。 針對冷結補償，一個(gè)激勵電流源用于激勵RTD。此電流從AVDD產(chǎn)生，流向AIN1。圖6詳細顯示了模擬引腳及其配置。 對于本電路，冷結電路采用基準輸入REFIN1(±)。流經(jīng)4線(xiàn)RTD（用于冷結測量）的電流也會(huì )流過(guò)精密基準電阻，產(chǎn)生基準電壓。 此精密基準電阻上產(chǎn)生的電壓與RTD上的電壓成比例，因此，激勵電流的波動(dòng)會(huì )被消除。由于基準電壓緩沖器已使能，務(wù)必滿(mǎn)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測量各種溫度傳感器并數字輸出結果（以°C或°F為單位），具有0.1°C精度和 0.001° C 分辨率。LTC298X可以測量幾乎所有標準（B、E、J、K、N、S、R、T 型）或自定義熱電偶的溫度，自動(dòng)補償冷端溫度并實(shí)現結果線(xiàn)性化。該器件還可以使用標準的2、3或4 線(xiàn)式 RTD、熱敏電阻和二極管來(lái)測量溫度。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。LTC298X包括適用于每種溫度傳感器的激勵電流源和故障檢測電路。 LTC298X可直接與接地參考傳感器接口，無(wú)需電平轉換器、負電源電壓或外部放大器。所有信號通過(guò)由內部 10ppm/°C（最大值）基準電壓源驅動(dòng)的三個(gè)高精度、24位 ΔΣ ADC 進(jìn)行緩沖和同步數字化。
圖7 AD7124 or LTC298X 精度：LTC298x具有 0.1°C 的準確度，AD7124在測量在−50℃至+200℃的測量溫度范圍內具有±1℃的整體系統精度。 通道：冷端補償以4線(xiàn)RTD為例，LTC298x可以測量15路熱電偶，AD7124-4可以測量2路熱電偶，AD7124-8可以測量6路熱電偶。 相對成本因素：LTC298X比AD7124較高，但它在提供更多采樣路數的同時(shí)，減少了設計者對其校準的相關(guān)要求。而相對成本較低的AD7124-X，雖同樣擁有較高的系統級采樣精度，但可測量的路數較少，并且需要設計者對系統校準花費一定的精力。 保護：LTC298x系列產(chǎn)品帶燒毀，短路和故障的自動(dòng)檢測功能。 總結 針對熱電偶溫度采集，世健可以提供專(zhuān)業(yè)、精確、靈活的ADI熱電偶測量產(chǎn)品和方案，以及系統級采樣方案，給設計者帶來(lái)便捷！ |
