热电偶：基本原理与设计要点

如上所述，所有标准热电偶参考表都是在冷端为0°C时得到的。那么如何利用参考表得到热端温度呢？试想一下，将以上热电偶的开路端延长，假想端点连接至温度为0°C的结点（图6）。如果我们能够计算得到V0值，利用参考表就很容易得到对应的热端温度。

　　
图6：将延长后的热电偶连接到0°C结点，即可确定未知热端温度TH。

　　确定V0

　　
（式11）

　　重新整理上式：

　　
（式12）

　　
（式13）

　　
（式14）

　　式13的第一项与式10 （由图5得到）完全相同。等效电压输出为VC，为已知值，因为冷端的温度是由电压表测得的。第二项等效于热电偶在热端温度等于TC、冷端温度等于0°C时的输出。 由于TC也是由独立的温度传感器测得的，我们可使用标准参考表查找得到式13中第二项的对应塞贝克电压（Vi）：

　　
（式15）

　　利用该V0值，即可通过标准参考表确定TH时的对应温度。

　　利用冷端补偿计算热端温度的过程分为以下几步：

　　• 利用温度传感器测量冷端温度（TC）。

　　• 测量冷端温度。

　　• 通过标准参考表将TC转换为电压（Vi）。

　　• 计算 V0=Vi+VC.

　　• 通过标准参考表将V0转换为温度TH。

　　标准热电偶参考表可参见NIST ITS-90热电偶数据库。如果因为内存或其它原因无法在微控制器中实现查找表，NIST ITS-90网站也针对每种热电偶类型提供了一组公式，可用于温度和电压之间的相互转换。

　　系统设计要点

　　至此，以上讨论仅限于热电偶的理论知识。为优化实际系统的精度，有几个事项需要注意。基本热电偶信号链（图7）中的每个器件都将影响转换精度，必须严格挑选，以将误差降至最低。

　　图7：热电偶测量系统的基本元件包括放大器和ADC，以及之后可计算未知温度的微控制器。

　　System board： 系统电路板

　　Amplifier： 放大器

　　Temp sensor： 温度传感器

　　从图7的左侧开始，热电偶连接至系统电路板的连接器。热电偶本身也是传感器，也可能是误差源。较长的热电偶很容易拾取周围环境的电磁噪声；屏蔽线可有效降低噪声。 接下来的元件是放大器，它具有高输入阻抗非常重要，因为放大器的输入阻抗和热电偶电阻形成一个分压器。放大器输入阻抗越高，产生的误差越小。

　　
（式16）

　　此外，放大器增大热电偶输出，热电偶输出通常为毫伏范围。尽管放大器的高闭环增益同时放大信号和噪声，但在ADC输入上增加低通滤波器可消除大部分噪声。因为温度变化不会非常快，此类应用的ADC转换率一般非常低——可能每秒只采样几次，所以低通滤波器非常有效。

　　最后，板载温度传感器需要非常靠近冷端连接器（理想情况是与热电偶丝的末端接触，但许多情况下条件不允许），获得最好的冷端温度测量结果。冷端测量中的任何误差都将体现在热端温度计算中。

　　热电偶电路实例及测试结果

　　无论设计自己的热电偶测量电路还是采用参考设计，都需要验证其精度。以下介绍MAXREFDES67#参考设计（图8）的精度验证。

　　图8：MAXREFDES67#是用于热电偶和RTD的参考设计，可测量电压和电流，进而测量温度，测量温度范围为-40°C至150°C。

　　为了举例说明如何最大程度减小测量误差，我们首先以热电偶系统为例，例如Maxim的MAXREFDES67参考设计。为了验证该测量系统或任何测量系统的误差，需要一个已知温度和值得信赖的仪表，用于比较。本例中，我们使用三个参考温度计：Omega HH41测温仪（现在被HH42取代）、ETI参考温度计和Fluke 724温度校准器。 连接到MAXREFDES67#的K型热电偶置于Fluke 7341校准炉中，并在20°C下进行校准。蓝点数据以Omega HH41作为参考，绿点数据使用ETI设备为参考。红点数据显示的最大误差小于0.1°C，基于Fluke 724校准器，但与之前测试不同的是，Fluke 724未用作参考仪器。模拟理想K型热电偶输出，并将MAXREFDES67#的输入与热电偶延长线相连。图9所示为测试结果。

　　图9. 利用Omnitec EC3TC（K型热电偶，在20°C下经过校准），评估MAXREFDES67#的误差与温度关系，并将其与其它三款参考测温仪进行比较。结果表明达到了非常高的精度。

　　图10：MAXREFDES67#参考设计框图。

　　总结

热电偶在工业温度测量应用领域具有诸多优势，包括温度范围、响应时间、成本和耐久性。热电偶理论略微有些复杂，但我们必须完全理解，从而能够进行正确测量以及从电压到温度的高精度转换。MAXREFDES67#参考设计采用MAX11254和MAX6126这两款芯片，特别适合于热电偶测温这种噪声敏感的小信号，高精度的测量应用。其中，MAX11254为6通道