熱電偶的基礎(chǔ)知識(shí)

本應(yīng)用筆記探討了熱電偶的結(jié)構(gòu)及其工作原理，為讀者提供了有助于他們提高熱電偶讀數(shù)精度的理解。

介紹

熱電偶是一種常見的溫度傳感器類型，用于從實(shí)驗(yàn)室測試臺(tái)到工業(yè)的各種應(yīng)用 環(huán)境。然而，與許多類型的傳感器一樣，使用熱電偶獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù) 可能具有挑戰(zhàn)性。本應(yīng)用筆記探討了熱電偶的結(jié)構(gòu)及其工作原理背后的物理原理。 提供一種理解，這將有助于讀者提高閱讀的準(zhǔn)確性。

如何創(chuàng)建熱電偶

形成“熱”和“冷”結(jié)的兩個(gè)不同導(dǎo)體的組合會(huì)產(chǎn)生熱電偶（圖 1）。 將兩個(gè)結(jié)保持在不同的溫度下會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢（EMF），也稱為 熱電電壓。EMF在毫伏范圍內(nèi)測量，是一種稱為 塞貝克效應(yīng)，描述由熱電偶材料產(chǎn)生的電壓以及熱結(jié)和冷結(jié)之間的溫差。

圖1.基波熱電偶。

等式1提供了塞貝克效應(yīng)的線性近似。

?V = S × （Th- 噸c)

?V：兩種不同金屬之間的電壓差

S：以V/K為單位的塞貝克系數(shù)（通常以μV/°C為單位）

Th- 噸c：熱端和冷端之間的溫差

塞貝克系數(shù)特定于用于構(gòu)建熱電偶的兩個(gè)導(dǎo)體。它有一個(gè) 非線性對溫度的依賴性。使用塞貝克效應(yīng)的線性近似可以產(chǎn)生重要的測量結(jié)果 錯(cuò)誤?，F(xiàn)代熱電偶測量技術(shù)應(yīng)考慮到這種非線性。重要的是 了解溫度測量不能僅根據(jù)熱電偶產(chǎn)生的EMF來確定。相反 必須知道以下三個(gè)參數(shù)：

熱結(jié)和冷結(jié)之間的熱梯度引起的熱電電壓

熱電偶類型

冷端溫度

如果這些變量中的任何一個(gè)未知，則無法確定熱電偶檢測結(jié)處的溫度。 公式2顯示了在考慮上述參數(shù)的情況下測量熱電偶熱端溫度的更新計(jì)算：

Th：熱端溫度（以°C為單位）

Tc： 冷端溫度（以°C為單位）

a（Tc）：塞貝克系數(shù)作為T的函數(shù)c單位：μV/°C

影響熱電偶讀數(shù)精度的因素

牢記基礎(chǔ)知識(shí)可以更容易理解可能影響熱電偶精度的因素 測量。有了上面提到的三個(gè)必要參數(shù)，產(chǎn)生熱結(jié)相對容易 熱電偶的溫度測量。然而，獲取這些參數(shù)的方法可能會(huì)引入 測量不準(zhǔn)確。以下因素可能會(huì)影響不同階段的溫度讀數(shù) 測量和不同程度：

熱電偶特性

冷端測量

嘈雜的環(huán)境

線性化

熱電偶特性

有時(shí)，熱電偶本身的問題會(huì)導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。這些問題可能來自損壞 隨著熱電偶年齡的增長而發(fā)生。需要注意的一些常見問題包括：

熱結(jié)熱/電氣連接不良—如果兩者，可能會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的熱電電壓 導(dǎo)體在熱端未正確連接在一起。裸線結(jié)、絕緣結(jié)和 接地結(jié)是熱電偶中最常見的熱結(jié)類型。下文將進(jìn)一步說明它們：

裸線熱電偶—兩根引線可以以不同的方式連接在一起。引線可以扭在一起，焊接 一起，或焊接在一起。對于機(jī)械振動(dòng)過大的應(yīng)用，將引線扭在一起不是 推薦。對于高溫應(yīng)用，不應(yīng)將結(jié)焊接在一起，因?yàn)榭赡軙?huì) 焊料回流。冷焊引線在一起通常是最佳選擇。

絕緣結(jié)點(diǎn) - 基于結(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，絕緣結(jié)點(diǎn)在機(jī)械上更堅(jiān)固，并且 與裸線型熱電偶相比耐腐蝕。但是，由于沒有直接的金屬表面 暴露在測量溫度下，熱端的熱阻增加。這會(huì)減慢 熱電偶對溫度變化的響應(yīng)。因此，在需要快速響應(yīng)溫度的地方 更換，不建議使用絕緣連接。在某些情況下，響應(yīng)緩慢可能是有利的，因?yàn)樗兄?過濾掉“噪音”。對于導(dǎo)熱系數(shù)低的材料，也不建議使用絕緣液絡(luò)部（如 常見于某些氣體）。

接地結(jié)—結(jié)構(gòu)類似于絕緣結(jié)熱電偶的結(jié)構(gòu)，具有連接點(diǎn)電連接到保護(hù)護(hù)套的附加功能。雖然結(jié)構(gòu)類型機(jī)械堅(jiān)固并可防止腐蝕，但由于與保護(hù)護(hù)套的金屬連接，接地結(jié)的響應(yīng)時(shí)間比絕緣結(jié)快（盡管由于護(hù)套的熱質(zhì)量，它們?nèi)匀豢赡芎苈５?，由于熱電偶的尖端直接焊接在保護(hù)護(hù)套上，因此整個(gè)表面都容易受到影響。如果護(hù)套與電信號(hào)接觸，將使來自熱電偶的EMF信號(hào)不可靠。這種副作用通常被忽視，對于使用接地結(jié)的應(yīng)用，需要仔細(xì)規(guī)劃。另一個(gè)重要的考慮因素是，“接地”護(hù)套的電位可以是mV甚至V，與系統(tǒng)接地電位不同。通常，信號(hào)調(diào)理電路的電源需要隔離。

沿?zé)犭娕季€路的串聯(lián)電阻—由于熱電偶是導(dǎo)體，導(dǎo)體或連接電路中的寄生電阻可能會(huì)影響信號(hào)。如果引線太長或太細(xì)，則在EMF到達(dá)冷結(jié)之前，總串聯(lián)電阻可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)衰減。解決此問題的一種方法是使用一種稱為“擴(kuò)展級”的特殊類型的熱電偶線，該線旨在將熱電電路承載更長的距離。

用于構(gòu)建熱電偶的低檔材料—一些更便宜的熱電偶由低冶金級度材料制成。使用這種材料可能會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的雜質(zhì)對每批金屬產(chǎn)生不同的影響，從而產(chǎn)生可變的塞貝克系數(shù)。

引線長度的電氣隔離問題—如果使用錯(cuò)誤類型的絕緣或劣質(zhì)絕緣來分離熱電偶的兩根引線，可能會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)問題。在高溫應(yīng)用中，如果使用非耐溫類型的絕緣，絕緣會(huì)熔化，導(dǎo)致暴露在引線中。絕緣部分的斷裂也可能暴露熱電偶引線。一旦熱電偶引線暴露在元件中，它們可能會(huì)腐蝕，導(dǎo)致短路或線路故障，或?qū)⑵渌娦盘?hào)引入線路。正極和負(fù)極引線也有可能短路在一起，這將產(chǎn)生過早的熱結(jié)，仍然提供錯(cuò)誤位置的溫度讀數(shù)。

熱電偶類型—每種熱電偶類型都有指定的溫度測量范圍。給定的熱電偶必須 能夠承受將要應(yīng)用的環(huán)境條件。具有廣泛的操作范圍和 結(jié)構(gòu)便宜的K型熱電偶是一些最常用的類型。一些熱電偶解決方案 僅適用于給定的熱電偶類型。MAX31856等集成方案可配置，支持所有 常見的熱電偶類型。

上面的列表提供了一些常見問題，這些問題可能導(dǎo)致基于選擇的準(zhǔn)確性下降 熱電偶。然而，即使選擇了良好的熱電偶，也無法防止一些錯(cuò)誤。

測量冷端溫度

當(dāng)使用熱電偶推導(dǎo)熱結(jié)溫度時(shí)，實(shí)現(xiàn)精確的冷端至關(guān)重要 測溫。為了保持一致且已知的0°C溫度，傳統(tǒng)的冷端將是 在冰冷的水浴中冷卻（因此得名“冷結(jié)”）?，F(xiàn)代熱電偶數(shù)字IC，如MAX31856 冷端補(bǔ)償，通過計(jì)算和溫度補(bǔ)償冷端溫度的影響 測量。溫度傳感器通常用于測量冷端溫度。

使用人工冷端補(bǔ)償時(shí)，精度的一個(gè)重要考慮因素是放置溫度 傳感器盡可能靠近真正的冷端。此外，請確保冷端和測量IC位于 相同的溫度。一種方法是最大化兩個(gè)設(shè)備之間的導(dǎo)熱系數(shù)并放置它們 遠(yuǎn)離任何熱源。熱電偶引線是直接焊接到電路板上還是通過端子連接 模塊，最小化引線和溫度傳感器之間的熱梯度，提高所有溫度的精度 讀數(shù)。

解決嘈雜環(huán)境

由于熱電偶產(chǎn)生的信號(hào)非常小，因此熱電偶測量容易受到來自 噪聲。磁通量的差異或沿引線長度的電磁干擾 （EMI） 暴露情況可以 在熱電偶信號(hào)中產(chǎn)生噪聲。熱電偶通常用于工業(yè)環(huán)境，這些環(huán)境是普遍存在的地方。 有機(jī)會(huì)將噪聲引入信號(hào)中。一個(gè)常見的噪聲源是由磁場的 60Hz或50Hz線路噪聲的磁通差，具體取決于國家/地區(qū)。這些場感應(yīng)電流 沿著熱電偶的引線，并可能在信號(hào)中引入誤差。為了解決這個(gè)問題，MAX31856等IC實(shí)現(xiàn)了 設(shè)計(jì)包括內(nèi)部濾波器，具有可配置的陷波頻率，頻率為 50Hz 或 60Hz。使用內(nèi)部過濾器 電路中，感應(yīng)到來自市電工頻的信號(hào)中的干擾可以降到最低。

對于更高的頻率，可以使用鐵氧體磁珠和差分濾波器來降低耦合到熱電偶中的噪聲 導(dǎo)致。在正極和負(fù)極引線之間安裝一個(gè)100nF差分電容器，靠近人工冷 結(jié)點(diǎn)有助于減輕熱電偶線路中引起的一些噪聲。在噪聲較高的應(yīng)用中 電平，尤其是高強(qiáng)度RF場，應(yīng)在每根引線和地之間放置額外的10nf電容器。

圖2.熱電偶 IC，熱電偶輸入端帶有濾波電容器。

電源耦合噪聲可能出現(xiàn)在熱電偶測量中。為了將此類噪聲的影響降至最低，0.1μF的噪聲 陶瓷旁路電容器可以放置在盡可能靠近 DVDD 和 AVDD 引腳和 GND 的位置。這樣做有助于防止 電源電壓尖峰會(huì)影響溫度轉(zhuǎn)換。圖2所示為典型應(yīng)用電路 用于MAX31856熱電偶檢測IC，熱電偶輸入端應(yīng)用濾波電容。此外 盡可能扭曲熱電偶線可防止電容耦合噪聲顯示為差分噪聲 電壓項(xiàng)。

支持多種轉(zhuǎn)換方法

如前所述，任何熱電偶類型的塞貝克系數(shù)都取決于熱電偶的溫度， 它產(chǎn)生了電壓到溫度的非線性傳遞函數(shù)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 維護(hù)一個(gè)已發(fā)布的電壓到溫度轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)庫，用于校準(zhǔn)和測試每個(gè) 熱電偶類型。該數(shù)據(jù)庫包括幾種不同的轉(zhuǎn)換方法。一種方法是電壓-溫度 查找表，將差分熱電電壓映射到整個(gè)溫度范圍內(nèi)的溫度值 每種熱電偶類型（假設(shè)冷端在0°C）。另一種方法是一系列 9千- 或 10千-次序 用于將電壓轉(zhuǎn)換為溫度或溫度轉(zhuǎn)換為電壓的多項(xiàng)式方程。

在大多數(shù)應(yīng)用中，在ADC對原始熱電偶電壓進(jìn)行數(shù)字化處理后，必須將ADC輸出代碼轉(zhuǎn)換為 溫度讀數(shù)，通過查找表或多個(gè)浮點(diǎn)計(jì)算。使用查找表 較大的溫度范圍會(huì)消耗大量內(nèi)存。另一方面，執(zhí)行許多浮點(diǎn)計(jì)算 在低成本微控制器應(yīng)用中消耗大量處理能力。MAX31856提供靈活性 通過允許任一類型的轉(zhuǎn)換方法。它具有一個(gè)內(nèi)部查找表，可提供線性化和 冷端補(bǔ)償溫度讀數(shù)，或能夠回讀原始ADC結(jié)果以進(jìn)行進(jìn)一步處理 微控制器固件中的濾波。

總結(jié)

從熱電偶獲得高精度的溫度讀數(shù)需要仔細(xì)考慮許多因素。這 在以下情況下，必須正確解決熱端的噪聲、護(hù)套電導(dǎo)率和隔熱性的影響 執(zhí)行熱電偶構(gòu)造和放置。適當(dāng)?shù)钠帘巍?a target="_blank">射頻濾波、去耦和串聯(lián)電阻 必須最小化熱電偶引線以正確處理相應(yīng)的熱電電壓。一次 熱電信號(hào)到達(dá)PCB或測量設(shè)備，精確的冷端補(bǔ)償，線路頻率 從電壓到溫度的濾波、數(shù)字化和轉(zhuǎn)換對于減少測量誤差至關(guān)重要。使用 熱電偶數(shù)字轉(zhuǎn)換器IC（如MAX31856）可以簡化高精度熱電偶的采集 通過在單個(gè)IC中解決本應(yīng)用筆記中討論的所有挑戰(zhàn)來讀取讀數(shù)。

審核編輯：郭婷