两种简略、准确、灵敏的热电偶温度测量方法

简介

热电偶是一种广泛用于温度丈量的简略元件。本文简略概述了热电偶，介绍了运用热电偶进行规划的进程中常见的应战，并提出 两种信号调度处理计划。第一种计划将参阅接合点补偿和信号调度集成在一个模仿IC内，运用更简练；第二种计划将参阅接合点补偿和信号调度独立开来，使数字 输出温度感应更灵敏、更准确。

热电偶原理
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信号调度电路走线，它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的这一个接合点叫做参阅（“冷”）接合点。

图1.热电偶

*咱们运用术语“丈量接合点“和“参阅接合点”而不是更传统的“热接合点”和“冷接合点”。传统命名体系或许会令人发生困惑，由于在许多运用中，丈量接合点或许比参阅接合点温度更低。

在参阅接合点处发生的电压取决于丈量接合点和参阅接合点两处的温度。由于热电偶是一种差分器材而不是肯定式温度丈量器材，有必要知道参阅接合点温度以取得准确的肯定温度读数。这一进程被称为参阅接合点温度补偿（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规模的工业规范办法。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，包含Chromel®和Alumel®（特色是别离含铬、铝、 镁和硅的镍合金），丈量规模是–200°C至+1250°C。

为什么运用热电偶？
长处

• 温度规模广：从低温到喷气引擎废气，热电偶适用于大多数实践的温度规模。热电偶丈量温度规模在–200°C至+2500°C之间, 具体取决于所运用的金属线。
• 坚固经用：热电偶归于经用器材，抗冲击振荡性好，合适于风险恶劣的环境。
• 呼应快：由于它们体积小，热容量低，热电偶对温度改变呼应快，尤其在感应接合点暴露时。它们可在数百毫秒内对温度改变作出呼应。
• 无自发热：由于热电偶不需求鼓励电源，因而不易自发热，其自身是安全的。

缺陷

• 信号调度杂乱：将热电偶电压转化成可用的温度读数必需进行许多的信号调度。一直以来，信号调度耗费许多规划时刻，处理不妥就会引进差错，导致精度下降。
• 精度低：除了由于金属特性导致的热电偶内部固有不准确性外，热电偶丈量精度只能到达参阅接合点温度的丈量精度，一般在1°C至2°C内。
• 易受腐蚀：由于热电偶由两种不同的金属所组成，在一些工况下，随时刻而腐蚀或许会下降精度。因而，它们或许需求保护；且保养保护必不可少。
• 抗噪性差：当丈量毫伏级信号改变时，杂散电场和磁场发生的噪声或许会引起问题。绞合的热电偶线对或许 大幅下降磁场耦合。运用屏蔽电缆或在金属导管内走线和防护可下降电场耦合。丈量器材应当供给硬件或软件办法的信号过滤，有力按捺工频频率（50 Hz/60 Hz）及其谐波。

热电偶丈量的难点
将热电偶发生的电压变换成准确的温度读数并不是件轻松的作业，原因许多：电压信号太弱，温度电压联系呈非线性，需求参阅接合点补偿，且热电偶或许引起接地问题。让咱们逐个剖析这些问题。

电压信号太弱：最常见的热电偶类型有J、K和T型。在室温下，其电压改变起伏别离为52 µV/°C、41 µV/°C和41 µV/°C。其它较少见的类型温度电压改变起伏乃至更小。这种弱小的信号在模数转化前需求较高的增益级。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改变和温度升高联系
（塞贝克系数）

由于电压信号弱小，信号调度电路一般需求约100左右的增益，这是适当简略的信号调度。更扎手的作业是怎么辨认实践信号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布环境。引线上的噪声可轻松吞没细小的热电偶信号。

一般结合两种计划来从噪声中提取信号。第一种计划运用差分输入扩展器（如外表扩展器）来扩展信 号。由于大多数噪声一同出现在两根线上（共模），差分丈量可将其消除。第二种计划是低通滤波，消除带外噪声。低通滤波器应一同消除或许引起扩展器整流的射 频搅扰（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz（电源）的工频搅扰。在扩展器前面放置一个射频搅扰滤波器（或运用带滤波输入的扩展器）十分重要。50Hz/60Hz滤波器的方位无关紧要—它能够与 RFI滤波器组合放在扩展器和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。

参阅接合点补偿：要取得准确的肯定温度读数，有必要知道热电偶参阅接合点的温度。 当第一次运用热电偶时，这一进程经过将参阅接合点放在冰池内来完结。图2描绘一头处于不知道温度，另一头处于冰池（0°C）内的热电偶电路。这种办法用来详 尽描绘各种热电偶类型的特色，因而简直一切的热电偶表都运用0°C作为参阅温度。

图2. 根本的铁-康铜热电偶电路

但关于大多数丈量体系而言，将热电偶的参阅接合点坚持在冰池内不切实践。大多数体系改用一种称 为参阅接合点补偿（又称为冷接合点补偿）的技能。参阅接合点温度运用另一种温度灵敏器材来丈量—一般为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映参阅接合点温度。有必要尽或许准确地读取参阅接合点—将准确温度传感器坚持在与参阅接合点相同的温度。任何读取参 考接合点温度的差错都会直接反映在终究热电偶读数中。

可运用各种传感器来丈量参阅接合点温度：

1. 热敏电阻：呼应快、封装小；但要求线性，精度有限，尤其在宽温度规模内。要求鼓励电流，会发生自发热，引起漂移。结合信号调度功用后的全体体系精度差。
2. 电阻温度丈量器（RTD）：RTD更准确、安稳且呈合理线性，但封装尺度和本钱约束其运用于进程操控运用。
3. 长途热二极管：二极管用来感应热耦连接器邻近的温度。调度芯片将和温度成正比的二极管电压转化成模仿或数字输出。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部分感应温度的独立IC，应小心肠挨近参阅接合点装置，并可组合参阅接合点补偿和信号调度。可取得远低于1°C的精度。

电压信号非线性：热电偶呼应曲线的斜率随温度而改变。例如，在0°C时，T型热电偶输出按39 µV/°C改变，但在100°C时斜率添加至47 µV/°C。

有三种常见的办法来对热电偶的非线性进行补偿。

挑选曲线相对较陡峭的一部分并在此区域内将斜率近似为线性，这是一种特别合适于有限温度规模内丈量的计划，这种计划不需求杂乱的核算。K和J型热电偶比较受欢迎的许多原因之一是它们一同在较大的温度规模内灵敏度的递加斜率（塞贝克系数）坚持适当安稳（参见图1）。

图3.热电偶灵敏度随温度而改变留意，从0°C至1000°C，K型塞贝克系数大致安稳在约 41 µV/°C

另一个计划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，运用表中两个最近点间的线性插值来取得其它温度值。

第三种计划运用高阶等式来对热电偶的特性进行建模。这种办法尽管最准确，但核算量也最大。每种热电偶有两组等式。一组将温度转化为热电偶电压（适用于参阅接合点补偿）。另一组将热电偶电压转化成温度。热电偶表和更高阶热电偶等式可从取得。这些表格和等式悉数根据0°C参阅接合点温度。在参阅集合点处于任何其它温度时，有必要运用参阅接合点补偿。

接地要求：热电偶制造商在丈量接合点上规划了绝缘和接地两种顶级（图4）

图4.热电偶丈量接合点类型

规划热电偶信号调度时应在丈量接地热电偶时防止接地回路，还要在丈量绝缘热电偶时具有一条扩展器输入偏压电流途径。此外，假如热电偶顶级接地，扩展器输入规模的规划应能够应对热电偶顶级和丈量体系地之间的任何接地差异（图5）。

图5.运用不同顶级类型时的接地办法

关于非阻隔体系，双电源信号调度体系一般有助于接地顶级和暴露顶级类型取得更安稳的体现。由于 其宽共模输入规模，双电源扩展器能够处理PCB（印刷电路板）地和热电偶顶级地之间的较大压差。假如扩展器的共模规模具有在单电源装备下丈量地电压以下的 某些才能，那么单电源体系能够在一切三种顶级状况下取得满意的功用。要处理某些单电源体系中的共模约束，将热电偶偏压至中间量程电压十分有用。这彻底合适 于绝缘热电偶简略或全体丈量体系阻隔的状况。可是，不主张规划非阻隔体系来丈量接地或暴露热电偶。

有用热电偶处理计划：热电偶信号调度比其它温度丈量体系的信号调度更杂乱。信号调度规划和调试所需的时刻或许会延伸产品的上市时刻。信号调度部分发生的差错或许会下降精度，尤其在参阅接合点补偿段。下列两种处理计划能够处理这些问题。

第一种计划具体介绍了一种简略的模仿集成硬件处理计划，它运用一个%&&&&&%将直接热电偶丈量和参阅接合点补偿结合在一同。第二种计划具体介绍了一种根据软件的参阅接合点补偿计划，热电偶丈量精度更高，可更灵敏地运用多种类型热电偶。

丈量计划1：为简略而优化
图6所示为K型热电偶丈量示意图。它运用了AD8495热电偶扩展器，该扩展器专门规划用于丈量K型热电偶。这种模仿处理计划为缩短规划时刻而优化：它的信号链比较简练，不需求任何软件编码。

图6.丈量处理计划1：为简略而优化

这种简略的信号链是怎么处理K型热电偶的信号调度要求的呢？

增益和输出份额系数：弱小的热电偶信号被AD8495扩展122的增益，构成5-mV/°C的输出信号灵敏度（200°C/V）。

降噪：高频共模和差分噪声由外部RFI滤波器消除。低频率共模噪声由AD8495的外表扩展器来按捺。再由外部后置滤波器处理任何剩余噪声。

参阅接合点补偿：由于包含一个温度传感器来补偿环境温度改变，AD8495有必要放在参阅接合点邻近以坚持相同的温度，然后取得准确的参阅接合点补偿。

非线性校对：经过校准，AD8495在K型热电偶曲线的线性部分取得5 mV/°C输出，在–25°C至+400°C温度规模内的线性差错小于2°C。假如需求此规模以外的温度，ADI运用笔记AN-1087介绍了怎么在微处理器中运用查找表或公式来扩展温度规模。

绝缘、接地和暴露热电偶的处理：图5所示为一个接地1MΩ电阻，它适用于一切热电偶顶级类型。AD8495专门规划以在如图所示调配单电源时丈量地电压以下数百毫伏。假如期望更大地压差，AD8495还可选用双电源作业。

AD8495的更多概况：图7所示为AD8495热电偶扩展器的框图。扩展器 A1、A2和A3（及所示电阻）一道构成一个外表扩展器，它运用刚好发生5 mV/°C输出电压的一个增益来对K型热电偶输出进行扩展。在符号“Ref junction compensation”（参阅接合点补偿）的框内是一个环境温度传感器。在丈量接合点温度坚持安稳的条件下，假如参阅接合点温度由于任何原因而上升， 来自热电偶的差分电压就会下降。假如微型封装的（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495挨近参阅接合点的热区域，参阅接合点补偿电路将额外电压施加到扩展器内，这样输出电压坚持安稳，然后对参阅温度改变进行补偿。

图7. AD8495功用框图

表2概述了运用AD8495的集成硬件处理计划的功用：

丈量处理计划2：为精度和灵敏性而优化
图8显现高精度丈量J、K或T型热电偶的示意图。此电路包含一个小信号热电偶电压丈量用的高精度ADC，和一个参阅接合点温度丈量用的高精度温度传感器。两个器材都由一个外部微处理器运用SPI接口进行操控。

图8.丈量处理计划2：为精度和灵敏性而优化

这种装备怎么满意前述信号调度要求的呢？

消除噪声并扩展电压：AD7793如 图9所示，运用AD7793—一种高精度、低功耗模仿前端来丈量热电偶电压。热电偶输出经过外部滤波后连接到一组差分输入AIN1(+)和 AIN1(–)。信号然后顺次经过一个多路复用器、一个缓冲器和一个外表扩展器（扩展热电偶小信号）发送到一个ADC，它将该信号转化为数字信号。

图9. AD7793功用框图

参阅接合点温度补偿：ADT7320（详见图10）在充沛挨近参阅接合点放置时在–10°C至+85°C温度规模内参阅接合点温度丈量精度可到达±0.2°C。片上温度传感器发生与肯定温度 成正比的电压，该电压与内部基准电压相比较并输入至精细数字调制器。该调制器输出的数字化成果不断改写一个16位温度值寄存器。然后经过SPI接口从微处 理器回读温度值寄存器，并结合ADC的温度读数一同完成补偿。

图10. ADT7320功用框图

校对非线性度：ADT7320在整个额外温度规模（–40°C至+125°C）内出现超卓的线性度，不需求用户校对或校准。因而其数字输出可视为参阅接合点状况的准确表明。

为了确认实践热电偶温度，有必要运用美国国家规范技能研究院(NIST)所供给的公式将此参阅温度丈量值转化成等效热电电压。此电压与AD7793丈量的热电偶电压相加，然后再次运用NIST公式将和转化回成热电偶温度。

处理绝缘和接地热电偶：图8所示为具有暴露顶级的热电偶。此供给最佳呼应时刻，但相同的装备还能够调配绝缘顶级热电偶一同运用。

表3概述了运用NIST数据，根据软件的参阅接合点丈量处理计划的功用：

表3.处理计划2（图8）功用概述

定论
热电偶在适当宽的温度规模内供给安稳牢靠的温度丈量，但由于需求在规划时刻和精度之间进行折衷，它们往往不是温度丈量的首选。本文提出处理这些问题的高性价比办法。

第一种处理计划重视凭借根据硬件的模仿参阅接合点补偿技能来下降丈量的杂乱度。它能够完成简略的信号链，不需求任何软件编程，依赖于AD8495热电偶扩展器所供给的集成特性，该扩展器发生5mV/°C输出信号，可馈入到各种微处理器的模仿输入。

第二种处理计划供给最高丈量精度，还可运用各种热电偶类型。作为一种根据软件的参阅接合点补偿 技能，它依赖于高精度ADT7320数字温度传感器来供给精度远超迄今所完成精度的参阅接合点补偿丈量。ADT7320在–40°C至+125°C温度范 围彻底校准并指定。彻底通明，不同于传统的热敏电阻或RTD传感器丈量，它既不需求在电路板安装后进行高本钱的校准进程，也不会因校准系数或线性化程序而 耗费处理器或内存资源。其功耗只稀有毫瓦，防止了下降传统电阻式传感器处理计划精度的自发热问题。

附录
运用NIST公式将ADT7320温度转化成电压

热电偶参阅接合点补偿根据以下联系：

(1)

其间：

要使这种补偿联系收效，参阅接合点的两个端子有必要维持在相同的温度。温度均衡是运用一个等温端子块使两个端子的温度相同，一同坚持电气阻隔。

在丈量参阅接合点温度后，有必要将其转化成等效的热电电压，它在接合点处于丈量温度下时发生。一种办法是运用幂级数多项式。热电电压核算如下：

(2)

其间：

NIST发布每一种热电偶的多项式系数表。这些表包含系数列表、阶数（多项式的项数）、每个系数列表的有用温度规模和差错规模。某些类型热电偶要求多个系数表以包括整个温度操作规模。幂级数多项式表在正文中列出。