热电偶温度测量系统设计要点

需要精心设计和实现电路才能设计高精度热电偶接口。第一步是了解这种广泛使用的温度传感器的基本物理原理。

热电偶（TC）发明于1921年，即将迎来百年纪念日，在许多应用中继续提供有价值的温度测量信息，尤其是那些涉及非常高温度的应用。在众多工业和过程关键应用中，TC和电阻温度检测器（RTD）已成为温度测量的黄金标准。虽然RTD具有更好的精度和可重复性，但热电偶的优势包括：

更大的测量范围，

更短的响应时间，

成本更低，

更好的耐久性，

自供电（无需激励信号），以及

无自热效应。

由于这些原因，热电偶广泛用于许多不同的应用。然而，使用热电偶进行高精度温度测量可能很棘手。本应用笔记讨论了优化测量精度的方法。首先，让我们描述一下热电偶操作的基本原理。

热电偶如何工作？

当在一块金属线上施加电压源时，电子从正极端子流向负极端子，并且一些能量在加热金属线时损失。托马斯·约翰·西贝克（Thomas Johann Seebeck）于1821年发现的塞贝克效应表明了一种相反的现象。当在金属线上施加温度梯度时，会产生电势。这是热电偶的物理基础。

 

?V = S（T） × ？T

（公式1）

 

哪里？V是电压的梯度，？T是温度梯度，S（T）是塞贝克系数。塞贝克系数取决于材料，并且也随温度变化。导线上两个不同温度点的电压等于塞贝克系数函数在整个温度范围内的积分。

图1.通过温度梯度在导电线上产生的电压。

热电偶由两种不同的材料组成，通常是具有不同塞贝克系数函数S（T）的金属线。当一种材料的温差产生电压差时，为什么两种材料是必不可少的？例如，假设图 2 中的金属线由材料 A 制成。给定一个带有探头线的电压表，也由材料 A 制成，理论上电压表不会检测到任何电压。为什么？当探头连接到导线的末端时，探头的作用就像金属线的延伸。连接到电压表输入端的这根长导线的两端处于相同的温度（TM).如果导线的两端处于相同的温度，则沿导线长度的温差不会导致电压差。为了在数学上证明这一点，我们计算了从电压表的正端到负端的整个线环路上累积的电压。

并且，当积分极限的下限和上限相同时，积分的结果为 V = 0。

图2.电压测量连接。探头和电线由相同的材料制成。

如果探头材料由材料B制成，如图3所示。

上式显示测量电压等于两种材料类型塞贝克系数函数之差的积分。这就是为什么热电偶由两种不同类型的金属制成的原因。

图3.电压测量连接。探头和电线由不同的材料制成。

从图3和公式6（公式6）所示的电路来看，假设S一个（T）， SB（T），并且电压表测量的电压是已知的，除非知道TC结（冷结）的温度，否则我们仍然无法计算TH结（热结）的温度。在热电偶的早期，使用对应于0°C的冰浴作为参考温度（因此称为冷端），因为这种方法成本低，非常容易获得，并且温度自调节。等效电路如图4所示。

图4.图3为冷端置于冰浴内的等效电路。

虽然我们知道图3中电路的参考温度，但求解热结温度（TH） 是不切实际的。标准参考表可用于所有常见类型的热电偶，因此用户可以查找温度以获取相应的电压输出。但请记住，所有标准热电偶参考表均以0°C参考温度列出。

现代热电偶系统

如图5所示，现代热电偶由两根连接在一端的不同金属线组成。电压在线对的开口端测量。等效电路如图5所示。V外与我们之前在图 3 中推导的等式完全相同。

 

 

 

（公式7）

 

图5.现代热电偶配置。

冷端补偿

冷端（TC）温度可以通过冰浴设置为0°C，但实际上没有人会在任何现代电气系统中使用一桶冰水。冷端补偿方法可用于计算热端温度，而无需0°C冷端温度，实际上冷端温度甚至不必恒定。该方法仅使用单独的温度传感器来测量冷端的温度（TC).求热结温度（TH） 变为可能，当 TC是已知的。这对某些人来说可能听起来很荒谬。如果我们有一个温度传感器来测量冷端温度，为什么我们不能用这个温度传感器直接测量热端的温度呢？答案很简单。冷端温度范围比热端温度窄得多，因此温度传感器不需要像热电偶那样维持极端温度。

使用冷端补偿计算热端温度

如上所述，所有标准热电偶参考表都是在冷端保持在0°C的情况下生成的。 那么，在这种情况下，我们如何使用这些表格来找到热结温度呢？

想象一下，如果上述热电偶的开口端如图6所示得到扩展。并且，假想端连接到温度为0°C的结点。如果我们能计算出V的值0，我们可以使用参考表轻松找到相应的热结温度。

图6.具有假想扩展的热电偶，连接到0°C结。

让我们确定 V0:

等式10（等式10）的第一项与图5推导的等式7（等式7）完全相同。因此，等效电压输出为 VC，这是一个已知值，因为冷端的电压是由电压表测量的。第二项相当于热结温度等于T的热电偶的电压输出C冷端温度等于0°C。 自 TC也正在通过单独的温度传感器进行测量，我们可以使用标准参考表找到相应的塞贝克电压（V我） 表示等式 10 的第二项（方程 10）。

 

V0= VC+ V我

（公式12）

 

现在我们知道了 V 的值0，对应的热结温度（TH） 可以用标准参考表确定。

以下步骤总结了使用冷端补偿找到热端温度的过程。

测量冷端温度（TC） 带温度传感器。

测量冷端的电压。

转换 TC至电压 （V我） 使用标准参考表。

计算 V0=V我+VC.

转换 V0至热结温度（TH） 使用标准参考表。

标准热电偶参考表可在NIST ITS-90热电偶数据库网站 http://srdata.nist.gov/its90/menu/menu.html（由美国商务部，美国国家标准与技术研究院）上找到。如果由于内存不足或任何其他原因而不希望在微控制器中实现查找表，NIST ITS-90网站还为每种热电偶类型提供了一组公式，用于将温度转换为电压，反之亦然。

优化热电偶测量精度的系统设计要点

图7.基本热电偶系统框图

到目前为止，该讨论仅考虑了热电偶理论;但是，为了优化实际系统中的精度，应考虑一些项目。图7显示了热电偶信号链的基本模块。每个器件都会影响转换的精度，必须仔细选择以尽量减少误差。

从图的左侧开始，热电偶连接到系统主板连接器。虽然热电偶是传感器本身，但它也可能是误差源。长热电偶很容易拾取周围的电磁噪声。屏蔽导线可以有效降低噪音。

下一个组件是放大器。选择具有高输入阻抗的放大器很重要，因为放大器的输入阻抗和热电偶电阻会产生分压器效应，如公式13（公式13）所示。输入阻抗越高，误差越少。

 

 

此外，放大器还提升热电偶输出，通常在毫伏范围内。虽然高闭环增益会放大信号和噪声，但在ADC输入端增加一个低通滤波器可消除大部分噪声。低通滤波器非常有效，因为温度测量应用的ADC转换速率通常非常慢，可能每秒几个样本，因为温度变化不是很快。

最后，板载温度传感器需要非常靠近冷端连接器（理想情况下接触热电偶引线的末端，但在许多情况下是不可能的），以获得冷端温度的最佳测量值。冷端测量中的任何误差都会反映在热端温度计算中。

热电偶示例电路

更详细的图像。
图8.通用输入参考设计，可使用 RTD 或热电偶测量电压、电流和电压。

MAXREFDES67#通用输入参考设计（图8）包含实现热电偶温度测量系统所需的所有元件。预加载的固件使用 NIST ITS-90 网站上的公式将 K 型热电偶输出转换为温度。测量温度范围为 -40°C 至 +150°C。 此外，该系统还能够高精度地测量电压、电流、温度和RTD。

图9.MAXREFDES67# 误差与温度的关系，使用 Omnitec EC3TC，K 型热电偶，在 20°C 下校准。

图9显示了MAXREFDES67#热电偶输入端测得的温度误差与三个不同参考温度计（Omega HH41温度计、ETI参考温度计和Fluke 724温度校准器）的温度。将 MAXREFDES67# 连接的 K 型热电偶探头放置在福禄克 7341 校准槽中，并在 20°C 下进行校准。 蓝色数据使用欧米茄HH41温度计作为参考。绿色数据使用ETI参考温度计作为参考。红色数据使用福禄克 724 温度校准器作为参考。该设计显示世界一流的热电偶温度测量值。

结论

将热电偶用于工业温度测量应用具有许多好处，包括温度范围、响应时间、成本和耐用性。通过此处概述的设计建议可以实现高精度测量系统。MAXREFDES67#是一个很好的例子，可帮助系统设计人员以前所未有的速度开发高精度热电偶温度测量。

审核编辑：郭婷