热电偶应用中冷结点补偿的实现

　　温度测量应用中有多种类型的传感器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等。与电阻式温度检测器(RTD)、热电调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热电偶的鲁棒性、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首选。当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如线性特性较差。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可以很理想地用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围可以使其得到广泛使用。

热电偶与冷结点补偿

　　热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属线构成，一段用作正结点，另一段用作负结点。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。这利用了Seebeck效应，通常描述为热能转换为电能的过程。Seebeck效应与Peltier效应相反，Peltier效应为电能转换成热能的过程，典型应用有热电致冷器。如图1a所示，测量电压VOUT是检测结点(热结点)结电压与参考结点(冷结点)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，VOUT也是温差的函数。比例因数α对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。

表1：几种常用的热电偶类型。

图1：a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生。b. 常见的热电偶配置由两条金属线连接在一结点，每条线的开路结点与铜恒温线连接。

　　图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的结点。本例中，每个开路结点与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外结点，只要这两个结点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热结点与冷结点温差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热结点的实际温度，冷结点温度必须是已知的。冷结点温度为0℃(冰点)时是一种最简单的情况，如果TC=0℃，则VOUT=VH。这种情况下，热结点测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表，所有数据均基于0℃冷结点温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热结点温度。

　　在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷结点温度不是0℃，那么，为了确定实际热结点温度必须已知冷结点温度。考虑到非零冷结点温度的电压，必须对热电偶输出电压进行补偿，即所谓的冷结点补偿。

选择冷结点结温测量器件

　　为了实现冷结点补偿，必须确定冷结点温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、热电调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优缺点，需要根据具体应用进行选择。对于精度要求非常高的应用，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。精度要求不是很高时，采用热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围，而温度传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度感应IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。

　　因此，必须根据系统的实际需求选择冷结点温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，以便得到最佳的性价比。

查找表方法

　　一旦你建立了一种冷结点补偿的方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度，一种简单的方法是采用来自NBS的查找表。用软件实现查找表需要存储器来存储，但是在需要连续不断地进行测试时，这些表提供了一种快速和准确的解决方案。两种用于将热偶电压转换成温度的其他方法需要不仅仅是查找表，这两种方法是：使用多项式系数的线性近似值和热电偶输出信号的模拟线性化。

　　软件线性值很流行，这是因为除了预先定义了的多项式系数以外，不需要存储。这种方法的缺点是与多阶多项式(multiple-order polynomial)相关的处理时间问题。对于更多阶的多项式，处理时间进一步增加。对于需要多次多项式的温度测量应用来说，查找表可能比线性近似值方法更有效且更准确。

　　在软件用来实现测量电压到温度(除了手动搜索查找表以外)的转换之前，人们通常采用模拟线性化方法。这种基于硬件的方法使用模拟电路来修正热偶响应的非线性。其准确性决定于采用近似修正的阶数。这种方法依然广泛应用在那些接收热偶信号的万用表中。