熱電偶、熱電效應和熱電效應原理

熱電偶（thermocouple）是把兩種不同材料的金屬的一端連接起來，利用熱電效應來測量溫度的傳感器。

1821年，德國科學家托馬斯·約翰·塞貝克發(fā)現了電流熱效應的逆效應：即當給一段金屬絲的兩端施加不同溫度時，金屬絲兩端會產生電動勢，閉合回路后金屬絲中會有電流流過。這種現象被稱為“熱電效應”，也叫“塞貝克效應”。

熱電效應原理：如圖1，用兩種不同顏色表示兩種不同的金屬材料，A、B 端在常溫環(huán)境中用于測溫端口，稱為冷端。C點為被測端，由于熱電效應，在 A端和C端以及B端和C端之間溫度不同，所以會產生電勢差。而因為兩種金屬材料的不同，導致這兩個電勢差不一樣，最終A端和B端也有了電勢差，經測量AB之間的電勢差，再對參考金屬特性值和冷端溫度進行查表校準，最后就可以通過測量AB端輸出的電勢差來得到對應C端的溫度值了。

圖1

熱電偶種類

中國標準化熱電偶從1988年1月1日起按IEC國際標準生產，并指定S、R、B、K、J、T、N、E八種標準化熱電偶為中國統一設計型熱電偶（如圖2）。

圖2

S、R、B型熱電偶使用的金屬比較貴重，所以價格相對較高；K、T、J、N、E型熱電偶使用的金屬比較廉價，所以相對價格較便宜。下面介紹這幾種熱電偶的測溫范圍以及優(yōu)缺點：

S、R、B型熱電偶

S、R型和B型熱電偶長期最高使用溫度分別為1300℃和1600℃，短期最高使用溫度分別為1600℃和1800℃。優(yōu)勢：具有準確度最高，穩(wěn)定性最好，測溫溫區(qū)寬，使用壽命長等優(yōu)點。它的物理、化學性能良好，熱電勢穩(wěn)定性及在高溫下抗氧化性能好，適用于氧化性和惰性氣氛中。

S型熱電偶具有優(yōu)良的綜合性能，符合國際使用溫標的S型熱電偶，曾長期作為國際溫標的內插儀器?！癐TS-90”雖被規(guī)定今后不再作為國際溫標的內插儀器，但國際溫度咨詢委員會（CCT）認為，S型熱電偶仍可用于近似實現國際溫標。

R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當。B型熱電偶與S和R相似，但不適用于還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。但其明顯的優(yōu)點是不需用補償導線進行補償，因為在0~50℃范圍內熱電勢小于3μV。

T、R、B型熱電偶劣勢：此類熱電偶的熱電勢率較小，靈敏度低，高溫下機械強度下降，對污染非常敏感，貴金屬材料昂貴。

K、N、E、J、T型熱電偶

測溫范圍以及優(yōu)勢和劣勢見表1：

表1

補充：N型熱電偶克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在300~500℃間，由于鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩(wěn)定；在800℃左右，由于鎳鉻合金發(fā)生擇優(yōu)氧化引起的熱電動勢不穩(wěn)定。

熱電偶的優(yōu)缺點

優(yōu)點：

a.溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數實際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在–200°C至+2500°C之間，具體取決于所使用的金屬線。

b.堅固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊振動性好，適合于危險惡劣的環(huán)境。

c.響應快：因為它們體積小，熱容量低，熱電偶對溫度變化響應快，尤其在感應接合點裸露時。它們可在數百毫秒內對溫度變化作出響應。

d.無自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發(fā)熱，其本身是安全的。

缺點：

a.信號調理復雜：將熱電偶電壓轉換成可用的溫度讀數必須進行大量的信號調理。一直以來，信號調理耗費大量設計時間，處理不當就會引入誤差，導致精度降低。

b.精度低：除了由于金屬特性導致的熱電偶內部固有不精確性外，熱電偶測量精度只能達到參考接合點溫度的測量精度，一般在1°C至2°C內。

c.易受腐蝕：因為熱電偶由兩種不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時間而腐蝕可能會降低精度。因此，它們可能需要保護；且保養(yǎng)維護必不可少。

d.抗噪性差：當測量毫伏級信號變化時，雜散電場和磁場產生的噪聲可能會引起問題。絞合的熱電偶線對可能大幅降低磁場耦合。使用屏蔽電纜或在金屬導管內走線和防護可降低電場耦合。測量器件應當提供硬件或軟件方式的信號過濾，有力抑制工頻頻率（50 Hz/60 Hz）及其諧波。

熱電偶和熱電阻的選擇要素

我們可以根據以下要素來進行熱電偶和熱電阻的選擇。

需要測量的溫度范圍：500℃以上一般選擇熱電偶，500℃以下看應用環(huán)境來選擇。

測量范圍選擇：熱電偶所測量的一般指“點”溫，熱電阻通常用于測量空間溫度。

冷端補償

由于熱電效應的原理。因此，需要一個額外的溫度傳感器來測量參考點溫度，此參考點也就是我們常說的冷端補償點。

常見的幾種冷端補償傳感器分別如下：

1.熱敏電阻：響應快、封裝小。但要求線性，精度有限，尤其在寬溫度范圍內。要求激勵電流，會產生自發(fā)熱，引起漂移。結合信號調理功能后的整體系統精度差，只適合測量精度低、低成本的應用場合。

2.電阻式溫度測量器（RTD）：RTD相比熱敏電阻，更佳精確、穩(wěn)定且特性線性，但封裝尺寸和成本，相對熱敏電阻高。因為需要良好匹配的激勵源和采樣電路，所以設計相對更復雜，需要的外圍器件更好。用RTD作為冷端補償的熱電偶測量系統，通常對系統級精密度要求更高。

3.集成式溫度傳感器：集成溫度傳感器是一種以半導體工藝制成的集成式測溫元件。通過半導體工藝技術，將測溫等模擬單元獲得的信息數字化輸出，高集成度，可獲得遠低于1°C的系統級精度。外圍電路設計簡單，可直接和MCU進行通訊，同樣針對高精度熱電偶采集系統的冷端補償方案，使用和設計都最為簡單。

集成式溫度傳感器ADT7320

技術型授權代理商Excelpoint世健的工程師David Liu介紹了一款ADI典型的、用于冷端補償的溫度傳感器—— ADT7320。功能框圖如圖3：

圖3

ADT7320是一款高精度數字溫度傳感器，使用16位ADC來監(jiān)測和數字化溫度參數，其分辨率為0.0078°C。默認情況下，ADC分辨率設置為13Bit （0.0625°C）。其原理是，內部溫度傳感器產生與絕對溫度成比例的電壓，這個電壓與內部的參考電壓做比較，然后輸入到精密數字調制器中。

內部溫度傳感器在整個額定溫度范圍內具有較高的精度和線性度，無需用戶進行校正或校準。

另外，它擁有過溫報警功能，對功能安全性帶來保障。外輸出端口、INT和CT，使其可以在超高溫或低溫的情況下，通過一個10K的上拉電阻，直接向后端MCU發(fā)出中斷信號。

ADI可提供的熱電偶測量之模擬前端

AD8494/AD8495/AD8496/AD8497 熱電偶放大器為熱電偶溫度測量信號調理前端提供了一種簡單的低成本解決方案。針對熱電偶采樣端，在現場設計中往往還要考慮其共模干擾信號，以及ESD和過壓保護等因素。

圖4

AD849x專為測量和放大J型和K型熱電偶信號而優(yōu)化，通過CMOS工藝不僅在其前端集成了ESD和過壓保護功能，其優(yōu)異的抗共模能力使其擁有5mV/°C系統級線性響應Vout=（TMJ × 5 mV/°C）+VREF，其中TMJ表示熱電偶的測量結溫。AD849x同系差異化對比如圖5：

圖5

ADI可提供的熱電偶測量之集成方案篇

David Liu介紹，ADI可提供多款熱電偶測量集成方案。

AD7124

AD7124-4/AD7124-8是一款以24bit ADC為核心，內部高集成MUX、PGA、REF等，針對熱電偶熱電阻測量直接接入型的完整解決方案?？蓪崿F高分辨率、低噪聲性能和低非線性度誤差能力。

片內低噪聲PGA，可通過軟件靈活調整增益編程范圍（1、2、4、8、16、32、64、128），來調整輸入信號的幅度，達到ADC的有效采樣范圍。增益級具有高輸入阻抗，輸入漏電流在全功率模式下不超過3.3 nA，在低功耗模式下為1 nA（典型值）。

圖6所示電路是針對典型的熱電偶，用RTD作冷端補償的參考設計。使用兩個模擬輸入引腳來連接熱電偶（AIN2、AIN3），以及三線RTD電路（AIN1、AIN6、AIN7）。AIN2和AIN3配置為全差分輸入通道，用于測量熱電偶產生的電壓。對于本電路，如圖6所示，熱電偶是浮空的。要將熱電偶偏置到已知電平，AIN2上使能VBIAS電壓發(fā)生器，使熱電偶偏置到以下值：

熱電偶測量是絕對測量，因而需要一個基準電壓源，使用AD7124-4/AD7124-8內置2.5 V基準電壓源。

針對冷結補償，一個激勵電流源用于激勵RTD。此電流從AVDD產生，流向AIN1。圖6詳細顯示了模擬引腳及其配置。

對于本電路，冷結電路采用基準輸入REFIN1（±）。流經4線RTD（用于冷結測量）的電流也會流過精密基準電阻，產生基準電壓。 此精密基準電阻上產生的電壓與RTD上的電壓成比例，因此，激勵電流的波動會被消除。由于基準電壓緩沖器已使能，務必滿足正常工作所需的裕量（AVDD ? 0.1 V和AVSS + 0.1 V）。0.125 V （500 μA × 250 Ω）的裕量由250 Ω接地電阻提供，如圖6所示。

圖6

LTC298X

LTC298X測量各種溫度傳感器并數字輸出結果（以°C或°F為單位），具有0.1°C精度和 0.001° C 分辨率。LTC298X可以測量幾乎所有標準（B、E、J、K、N、S、R、T 型）或自定義熱電偶的溫度，自動補償冷端溫度并實現結果線性化。該器件還可以使用標準的2、3或4 線式 RTD、熱敏電阻和二極管來測量溫度。它具有20個可重新配置的模擬輸入，支持許多傳感器連接和配置選項。LTC298X包括適用于每種溫度傳感器的激勵電流源和故障檢測電路。

LTC298X可直接與接地參考傳感器接口，無需電平轉換器、負電源電壓或外部放大器。所有信號通過由內部 10ppm/°C（最大值）基準電壓源驅動的三個高精度、24位 ΔΣ ADC 進行緩沖和同步數字化。

圖7

AD7124 or LTC298X

精度：LTC298x具有 0.1°C 的準確度，AD7124在測量在?50℃至+200℃的測量溫度范圍內具有±1℃的整體系統精度。

通道：冷端補償以4線RTD為例，LTC298x可以測量15路熱電偶，AD7124-4可以測量2路熱電偶，AD7124-8可以測量6路熱電偶。

相對成本因素：LTC298X比AD7124較高，但它在提供更多采樣路數的同時，減少了設計者對其校準的相關要求。而相對成本較低的AD7124-X，雖同樣擁有較高的系統級采樣精度，但可測量的路數較少，并且需要設計者對系統校準花費一定的精力。

保護：LTC298x系列產品帶燒毀，短路和故障的自動檢測功能。

總結

針對熱電偶溫度采集，世健可以提供專業(yè)、精確、靈活的ADI熱電偶測量產品和方案，以及系統級采樣方案，給設計者帶來便捷！