熱電偶、熱電效應(yīng)和熱電效應(yīng)原理

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(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)，金屬絲兩端會產(chǎn)生電動勢，閉合回路后金屬絲中會有電流流過。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)境中用于測溫端口，稱為冷端。C點(diǎn)為被測端，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，所以會產(chǎn)生電勢差。而因?yàn)閮煞N金屬材料的不同，導(dǎo)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(zhǔn)，最后就可以通過測量AB端輸出的電勢差來得到對應(yīng)C端的溫度值了。

圖1

熱電偶種類

中國標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶從1988年1月1日起按IEC國際標(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(zhǔn)確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。它的物理、化學(xué)性能良好，熱電勢穩(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，符合國際使用溫標(biāo)的S型熱電偶，曾長期作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器。“ITS-90”雖被規(guī)定今后不再作為國際溫標(biāo)的內(nèi)插儀器，但國際溫度咨詢委員會（CCT）認(rèn)為，S型熱電偶仍可用于近似實(shí)現(xiàn)國際溫標(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)熱電勢小于3μV。

T、R、B型熱電偶劣勢：此類熱電偶的熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機(jī)械強(qiáng)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勢不穩(wěn)定；在800℃左右，由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)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(shù)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。

b.堅(jiān)固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動性好，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)行大量的信號調(diào)理。一直以來，信號調(diào)理耗費(fèi)大量設(shè)計(jì)時(shí)間，處理不當(dāng)就會引入誤差，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，熱電偶測量精度只能達(dá)到參考接合點(diǎn)溫度的測量精度，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)測量毫伏級信號變化時(shí)，雜散電場和磁場產(chǎn)生的噪聲可能會引起問題。絞合的熱電偶線對可能大幅降低磁場耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導(dǎo)管內(nèi)走線和防護(hù)可降低電場耦合。測量器件應(yīng)當(dāng)提供硬件或軟件方式的信號過濾，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(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，會產(chǎn)生自發(fā)熱，引起漂移。結(jié)合信號調(diào)理功能后的整體系統(tǒng)精度差，只適合測量精度低、低成本的應(yīng)用場合。

2.電阻式溫度測量器（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量系統(tǒng)，通常對系統(tǒng)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(dǎo)體工藝制成的集成式測溫元件。通過半導(dǎo)體工藝技術(shù)，將測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)級精度。外圍電路設(shè)計(jì)簡單，可直接和MCU進(jìn)行通訊，同樣針對高精度熱電偶采集系統(tǒng)的冷端補(bǔ)償方案，使用和設(shè)計(jì)都最為簡單。

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。

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(diào)理前端提供了一種簡單的低成本解決方案。針對熱電偶采樣端，在現(xiàn)場設(shè)計(jì)中往往還要考慮其共模干擾信號，以及ESD和過壓保護(hù)等因素。

圖4

AD849x專為測量和放大J型和K型熱電偶信號而優(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)級線性響應(yīng)Vout=（TMJ × 5 mV/°C）+VREF，其中TMJ表示熱電偶的測量結(jié)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(nèi)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(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)整輸入信號的幅度，達(dá)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(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(zhǔn)電壓源，使用AD7124-4/AD7124-8內(nèi)置2.5 V基準(zhǔn)電壓源。

針對冷結(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)測量）的電流也會流過精密基準(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)電流的波動會被消除。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。所有信號通過由內(nèi)部 10ppm/°C（最大值）基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動的三個(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在測量在?50℃至+200℃的測量溫度范圍內(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(shù)的同時(shí)，減少了設(shè)計(jì)者對其校準(zhǔn)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(tǒng)級采樣精度，但可測量的路數(shù)較少，并且需要設(shè)計(jì)者對系統(tǒng)校準(zhǔn)花費(fèi)一定的精力。

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

總結(jié)

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

審核編輯：湯梓紅