深入浅出常用元器件系列——热电偶

作者：antonine

　　温差热电偶(简称热电偶)是目前温度测量中使用最普遍的传感器之一，它具有结构简单、测量范围宽、准确度高、热惯性小、输出信号为电压信号不需要激励等优点，能够用于流体、固体、固体壁面等各种不同测试测量场合。

　　热电偶测温原理

　　当导电物质处于温度时，其电子或空穴会随着温度梯度由高温区往低温区移动，由此产生的电荷堆积的现象称作热电效应，因热电效应产生的电动势称为热电动势。

　　如果采用两种电子密度同的导体连接成闭合回路，如果两端所处的温度不同，在该回路中就会产生热电动势，如下图所示。



　　在热电偶回路中接入第三种导体，只要该导体两端的温度相同，则整个热电偶回路中产生的总的热电势是不变的，这种现象称为中间导体效应，可以通过简单的推导得到。

　　由此，我们得到了实际使用的热电偶原型如下图所示，采用两种不同金属相连构成测温点(通常称为“热端”)，另一端分别接铜线引到信号调理电路，热电偶金属和铜走线之间的两个接合点温度相同，为参考点(通常称为“冷端”)。



　　在参考点和产生的电压取决于测量点和参考点两处的温度，由前面所讲的热电偶测量原理可以知道，在使用过程中需要知道参考点的温度才能获得测量点的准确温度读数。

　　热电偶的特点

　　1.优点
　　♦ 温度范围广，热电偶测温电路采用不同类型的热电偶，测量范围可达-200 到+2500 ，适用于大多数实际的温度范围。
　　♦ 坚固耐用，热电偶属于耐用器件，抗振动冲击性能好，适用于危险恶劣的环境。
　　♦ 响应快，因为热电偶体积小，热容量小，热电偶对温度的响应速度很快，尤其是在热点裸露的情况下。热电偶可在数百毫秒内对温度变化作出响应。
　　♦ 无自身发热，由于热电偶不需要激励电源，不会自发热，不会因自发热而造成测量误差。

　　2.缺点
　　♦ 信号调理电路复杂，将热电偶的直接输出电压转换成可用的温度读数，必须进行大量的信号调理。一量处理不当，就会引入误差，导致测量精度下降。
　　♦ 精度低，除了由于构成热电偶的金属本身特性导致的热电偶内部固有不确定性外，热电偶测量精度还依赖于冷端温度的测量精度，因此热电偶的测量精度一般在1 到2 。
　　♦ 抗噪性能差，由于热电偶直接输出电压信号量级较小，当测量环境周围存在杂散电场或磁场时，可能会引起问题，根据使用环境的要求，可能需要采取适当的防护措施。
　　♦ 易受腐蚀，因为热电偶由两种不同的金属构成，在某些工况下，长时间使用造成腐蚀，所以根据使用条件的不同，可能需要保护措施。

　　3.电路设计的难点

　　♦ 电压信号太弱，最常见的热电偶类型有J型，K型，T型，在室温下其灵敏度分别分
，这种微弱的信号在送入ADC之前需要进行较高增益的信号放大(通常需要100倍左右)。同时，由于信号如此微弱，为避免被噪声淹没，通常采用低通滤波和差分输入放大的放大器来对信号进行处理。
　　♦ 参考接合点温度补偿，要得到测量端的绝对温度读数，需要对冷端温度进行测量。冷端温度测量一般使用另外一种能够输出绝对温度的传感器，如热电阻、热敏电阻、集成测温IC等，以冷端测温结果来对热电偶的测温结果进行补偿。
　　♦ 非线性校正，热电偶的输出结果在非线性非常严重，在不同温度下灵敏度有很大差异，如下图为三种典型热电偶的温度特性曲线，在实际使用中需要对输出结果进行非线性校正。常用的非线性校正的方法有：模拟电路补偿、分段线性化、查表、高阶拟合等。



热电偶测量电路

　　根据成本、精度、通道数等不同要求，可选择多种多样不同的信号调理、冷端补偿、信号转换电路构成，下面介绍几种典型电路。

　　1. 传统的热电偶处理电路

　　采用通用运算放大器对热电偶输出电压进行放大、低通滤波，采用集成温度IC、二极管等进行冷端温度补偿，然后送入ADC进行模数转换。如下图，为一早期热电偶处理电路。采用二极管进行冷端温度补偿;采用运算放大器构成信号放大、低通滤波电路，同时带有传感器断路(断偶)检测等辅助功能;采用NE555构成压频转换电路将模拟信号转化为频率输出。



　　2.集成单芯片热电偶解决方案

　　目前部分厂商推出了内部集成冷端温度补偿、PGA、ADC的热电偶单芯片解决方案，如TI、Maxim等都有此类单芯片解决方案，一一列举在下面。

　　TI公司ADS1118



　　TI公司ADS1232



　　Maxim公司MX6674/5