热电偶事理
如图 1 所示，热电偶由在一头相连的两根不同金属线组成，相连端称为丈量（“热”）接合点。金属线不相连的另一头接到旗子暗记调理电路走线，它一样平常由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参考（“冷”）接合点。
图 1.热电偶。
在参考接合点处产生的电压取决于丈量接合点和参考接合点两处的温度。由于热电偶是一种差分器件而不是绝对式温度丈量器件，必须知道参考接合点温度以得到精确的绝对温度读数。这一过程被称为参考接合点温度补偿（冷接合点补偿）。热电偶已成为在合理精度内高性价比丈量宽温度范围的工业标准方法。它们运用于高达约+2500°C 的各种场合，如锅炉、热水器、烤箱和风机引擎等。K 型是最受欢迎的热电偶，包括 Chromel®和 Alumel®（特点是分别含铬、铝、镁和硅的镍合金），丈量范围是–200°C 至+1250°C。
为什么利用热电偶？
优点
• 温度范围广：从低温到喷气引擎废气，热电偶适用于大多数实际的温度范围。热电偶丈量温度范围在–200°C至+2500°C之间,详细取决于所利用的金属线。
• 坚固耐用：热电偶属于耐用器件，抗冲击振动性好，适宜于危险恶劣的环境。
• 相应快：由于它们体积小，热容量低，热电偶对温度变革相应快，尤其在感应接合点袒露时。它们可在数百毫秒内对温度变革作出相应。
• 无自发热：由于热电偶不须要勉励电源，因此不易自发热，其本身是安全的。
缺陷
• 旗子暗记调理繁芜：将热电偶电压转换成可用的温度读数必需进行大量的旗子暗记调理。一贯以来，旗子暗记调理耗费大量设计韶光，处理不当就会引入偏差，导致精度降落。
• 精度低：除了由于金属特性导致的热电偶内部固有禁绝确性外，热电偶丈量精度只能达到参考接合点温度的丈量精度，一样平常在 1°C 至 2°C 内。
• 易受堕落：由于热电偶由两种不同的金属所组成，在一些工况下，随韶光而堕落可能会降落精度。因此，它们可能须要保护；且保养掩护必不可少。
• 抗噪性差：当丈量毫伏级旗子暗记变革时，杂散电场和磁场产生的噪声可能会引起问题。绞合的热电偶线对可能大幅降落磁场耦合。利用屏蔽电缆或在金属导管内走线和防护可降落电场耦合。丈量器件应该供应硬件或软件办法的旗子暗记过滤，有力抑制工频频率（50 Hz/60 Hz）及其谐波。
热电偶丈量的难点
将热电偶产生的电压变换成精确的温度读数并不是件轻松的事情，缘故原由很多：电压旗子暗记太弱，温度电压关系呈非线性，须要参考接合点补偿，且热电偶可能引起接地问题。让我们逐一剖析这些问题。
电压旗子暗记太弱：最常见的热电偶类型有 J、K 和 T 型。在室温下，其电压变革幅度分别为 52 µV/°C、41 µV/°C 和 41 µV/°C。其它较少见的类型温度电压变革幅度乃至更小。这种微弱的旗子暗记在模数转换前须要较高的增益级。表 1 比较了各种热电偶类型的灵敏度。
表 1. 25°C 时各种热电偶类型的电压变革和温度升高关系
由于电压旗子暗记微弱，旗子暗记调理电路一样平常须要约 100 旁边的增益，这是相称大略的旗子暗记调理。更棘手的事情是如何识别实际旗子暗记和热电偶引线上的拾取噪声。热电偶引线较长，常常穿过电气噪声密集环境。引线上的噪声可轻松淹没眇小的热电偶旗子暗记。
一样平常结合两种方案来从噪声中提取信号。第一种方案利用差分输入放大器（如仪表放大器）来放大旗子暗记。由于大多数噪声同时涌如今两根线上（共模），差分丈量可将其肃清。第二种方案是低通滤波，肃清带外噪声。低通滤波器应同时肃清可能引起放大器整流的射频滋扰（1 MHz 以上）和 50 Hz/60 Hz（电源）的工频滋扰。在放大器前面放置一个射频滋扰滤波器（或利用带滤波输入的放大器）十分主要。50Hz/60Hz 滤波器的位置无关紧要—它可以与 RFI 滤波器组合放在放大器和 ADC 之间，作为∑-Δ ADC滤波器的一部分，或可作为均值滤波器在软件内编程。
参考接合点补偿：要得到精确的绝对温度读数，必须知道热电偶参考接合点的温度。当第一次利用热电偶时，这一步骤通过将参考接合点放在冰池内来完成。图 2 描述一头处于未知温度，另一头处于冰池（0°C）内的热电偶电路。这种方法用来详尽描述各种热电偶类型的特点，因此险些所有的热电偶表都利用 0°C 作为参考温度。
图 2. 基本的铁-康铜热电偶电路。
但对付大多数丈量系统而言，将热电偶的参考接合点保持在冰池内不切实际。大多数系统改用一种称为参考接合点补偿（又称为冷接合点补偿）的技能。参考接合点温度利用另一种温度敏感器件来丈量—一样平常为 IC、热敏电阻、二极管或 RTD（电阻温度丈量器）。然后对热电偶电压读数进行补偿以反响参考接合点温度。必须尽可能精确地读取参考接合点—将精确温度传感器保持在与参考接合点相同的温度。任何读取参考接合点温度的偏差都会直接反响在终极热电偶读数中。
可利用各种传感器来丈量参考接合点温度：
1. 热敏电阻：相应快、封装小；但哀求线性，精度有限，尤其在宽温度范围内。哀求勉励电流，会产生自发热，引起漂移。结合旗子暗记调理功能后的整体系统精度差。
2. 电阻温度丈量器（RTD）：RTD 更精确、稳定且呈合理线性，但封装尺寸和本钱限定其运用于过程掌握运用。
3. 远程热二极管：二极管用来感应热耦连接器附近的温度。调节芯片将和温度成正比的二极管电压转换成仿照或数字输出。其精度限于约±1°C。
4. 集成温度传感器：集成温度传感器是一种局部感应温度的独立 IC，该当心肠靠近参考接合点安装，并可组合参考接合点补偿和旗子暗记调理。可得到远低于 1°C 的精度。
电压旗子暗记非线性：热电偶相应曲线的斜率随温度而变革。例如，在 0°C 时，T 型热电偶输出按 39 µV/°C 变革，但在 100°C 时斜率增加至 47 µV/°C。
有三种常见的方法来对热电偶的非线性进行补偿。
选择曲线相对较平缓的一部分并在此区域内将斜率近似为线性，这是一种特殊适宜于有限温度范围内丈量的方案，这种方案不须要繁芜的打算。K 和 J 型热电偶比较受欢迎的诸多缘故原由之一是它们同时在较大的温度范围内灵敏度的递增斜率（塞贝克系数）保持相称恒定（拜会图 3）。
图 3.热电偶灵敏度随温度而变革把稳，从 0°C 至 1000°C，K 型塞贝克系数大致恒定在约 41 µV/°C。
另一个方案是将查找表存储在内存中，查找表中每一组热电偶电压与其对应的温度相匹配。然后，利用表中两个最近点间的线性插值来得到其它温度值。
第三种方案利用高阶等式来对热电偶的特性进行建模。这种方法虽然最精确，但打算量也最大。每种热电偶有两组等式。一组将温度转换为热电偶电压（适用于参考接合点补偿）。另一组将热电偶电压转换成温度。热电偶表和更高阶热电偶等式可从http://srdata.nist.gov/its90/main/得到。这些表格和等式全部基于0°C 参考接合点温度。在参考凑集点处于任何其它温度时，必须利用参考接合点补偿。接地哀求：热电偶制造商在丈量接合点上设计了绝缘和接地两种尖端（图 4）。
图4.热电偶丈量接合点类型。
设计热电偶旗子暗记调理时应在丈量接地热电偶时避免接地回路，还要在丈量绝缘热电偶时具有一条放大器输入偏压电流路径。此外，如果热电偶尖端接地，放大器输入范围的设计应能够应对热电偶尖端和丈量系统地之间的任何接地差异（图 5）。
5.利用不同尖端类型时的接地方式。
对付非隔离系统，双电源旗子暗记调理系统一样平常有助于接地尖端和袒露尖端类型得到更稳定的表现。由于其宽共模输入范围，双电源放大器可以处理 PCB（印刷电路板）地和热电偶尖端地之间的较大压差。如果放大器的共模范围具有在单电源配置下丈量地电压以下的某些能力，那么单电源系统可以在所有三种尖端情形下得到满意的性能。要处理某些单电源系统中的共模限定，将热电偶偏压至中间量程电压非常有用。这完备适宜于绝缘热电偶大略或整体丈量系统隔离的情形。但是，不建议设计非隔离系统来丈量接地或袒露热电偶。
实用热电偶办理方案：热电偶旗子暗记调理比其它温度丈量系统的旗子暗记调理更繁芜。旗子暗记调理设计和调试所需的韶光可能会延长产品的上市韶光。旗子暗记调理部分产生的偏差可能会降落精度，尤其在参考接合点补偿段。下列两种办理方案可以办理这些问题。
第一种方案详细先容了一种大略的仿照集成硬件办理方案，它利用一个 IC 将直接热电偶丈量和参考接合点补偿结合在一起。第二种方案详细先容了一种基于软件的参考接合点补偿方案，热电偶丈量精度更高，可更灵巧地利用多种类型热电偶。
丈量方案 1：为大略而优化
图 6 所示为 K 型热电偶丈量示意图。它利用了 AD8495 热电偶放大器，该放大器专门设计用于丈量 K 型热电偶。这种仿照办理方案为缩短设计韶光而优化：它的旗子暗记链比较简洁，不须要任何软件编码。
图 6.丈量办理方案 1：为大略而优化。
这种大略的旗子暗记链是如何办理 K 型热电偶的旗子暗记调理哀求的呢？
增益和输出比例系数：微弱的热电偶旗子暗记被 AD8495 放大 122 的增益，形成 5-mV/°C 的输出旗子暗记灵敏度（200°C/V）。降噪：高频共模和差分噪声由外部 RFI 滤波器肃清。低频率共模噪声由 AD8495 的仪表放大器来抑制。再由外部后置滤波器办理任何残余噪声。
参考接合点补偿：由于包括一个温度传感器来补偿环境温度变革，AD8495 必须放在参考接合点附近以保持相同的温度，从而得到精确的参考接合点补偿。
非线性校正：通过校准，AD8495 在 K 型热电偶曲线的线性部分得到 5 mV/°C 输出，在–25°C 至+400°C 温度范围内的线性偏差小于 2°C。如果须要此范围以外的温度，ADI 运用条记 AN-1087先容了如何在微处理器中利用查找表或公式来扩大温度范围。
表 2.办理方案 1（图 6）性能概述
绝缘、接地和袒露热电偶的处理：图 5 所示为一个接地 1MΩ 电阻，它适用于所有热电偶尖端类型。AD8495 专门设计以在如图所示搭配单电源时丈量地电压以下数百毫伏。如果希望更大地压差，AD8495 还可采取双电源事情。
AD8495 的更多详情：图 7 所示为 AD8495 热电偶放大器的框图。放大器 A1、A2 和 A3（及所示电阻）一道形成一个仪表放大器，它利用恰好产生 5 mV/°C 输出电压的一个增益来对 K 型热电偶输出进行放大。在标记“Ref junction compensation”（参考接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。在丈量接合点温度保持稳定的条件下，如果参考接合点温度由于任何缘故原由而上升，来自热电偶的差分电压就会降落。如果微型封装的（3.2 mm × 3.2 mm ×1.2 mm）AD8495 靠近参考接合点的热区域，参考接合点补偿电路将额外电压施加到放大器内，这样输出电压保持恒定，从而对参考温度变革进行补偿。
图 7. AD8495 功能框图。
表 2 概述了利用 AD8495 的集成硬件办理方案的性能：
丈量办理方案 2：为精度和灵巧性而优化图 8 显示高精度丈量 J、K 或 T 型热电偶的示意图。此电路包括一个小旗子暗记热电偶电压丈量用的高精度 ADC，和一个参考接合点温度丈量用的高精度温度传感器。两个器件都由一个外部微处理器利用 SPI 接口进行掌握。
图 8.丈量办理方案 2：为精度和灵巧性而优化。
这种配置如何知足前述旗子暗记调理哀求的呢？肃清噪声并放大电压：如图 9 所示，利用 AD7793 一种高精度、低功耗仿照前端来丈量热电偶电压。热电偶输出经由外部滤波后连接到一组差分输入 AIN1(+)和 AIN1(–)。旗子暗记然后依次经由一个多路复用器、一个缓冲器和一个仪表放大器（放大热电偶小旗子暗记）发送到一个 ADC，它将该旗子暗记转换为数字旗子暗记。
图 9. AD7793 功能框图。
表 3.办理方案 2（图 8）性能概述
参考接合点温度补偿：ADT7320（详见图 10）在充分靠近参考接合点放置时在–10°C 至+85°C 温度范围内参考接合点温度丈量精度可达到±0.2°C。片上温度传感器产生与绝对温度成正比的电压，该电压与内部基准电压比较较并输入至精密数字调制器。该调制器输出的数字化结果不断刷新一个 16 位温度值寄存器。然后通过 SPI 接口从微处理器回读温度值寄存器，并结合 ADC 的温度读数一起实现补偿。
校正非线性度：ADT7320 在全体额定温度范围（–40°C 至+125°C）内呈现出色的线性度，不须要用户校正或校准。因而其数字输出可视为参考接合点状态的精确表示。
为了确定实际热电偶温度，必须利用美国国家标准技能研究院(NIST)所供应的公式将此参考温度丈量值转换成等效热电电压。此电压与 AD7793 丈量的热电偶电压相加，然后再次利用 NIST公式将和转换回成热电偶温度。
处理绝缘和接地热电偶：图 8 所示为具有袒露尖真个热电偶。此供应最佳相应韶光，但相同的配置还可以搭配绝缘尖端热电偶一起利用。
表 3 概述了利用 NIST 数据，基于软件的参考接合点丈量办理方案的性能：
图 10. ADT7320 功能框图。
结论
热电偶在相称宽的温度范围内供应稳定可靠的温度丈量，但由于须要在设计韶光和精度之间进行折衷，它们每每不是温度丈量的首选。本文提出办理这些问题的高性价比方式。
第一种办理方案看重借助基于硬件的仿照参考接合点补偿技能来降落丈量的繁芜度。它可以实现大略的旗子暗记链，不须要任何软件编程，依赖于 AD8495 热电偶放大器所供应的集成特性，该放大器产生5mV/°C输出旗子暗记，可馈入到各种微处理器的仿照输入。
第二种办理方案供应最高丈量精度，还可利用各种热电偶类型。作为一种基于软件的参考接合点补偿技能，它依赖于高精度ADT7320 数字温度传感器来供应精度远超迄今所实现精度的参考接合点补偿丈量。ADT7320 在–40°C 至+125°C 温度范围完备校准并指定。完备透明，不同于传统的热敏电阻或 RTD 传感器丈量，它既不须要在电路板装置后进行高本钱的校准步骤，也不会因校准系数或线性化程序而花费处理器或内存资源。其功耗只有数毫瓦，避免了降落传统电阻式传感器办理方案精度的自发热问题。
