热电偶的结构及其工作原理

热电偶是一种常见的温度传感器类型，用于从实验室测试台到工业的各种应用 环境。然而，与许多类型的传感器一样，使用热电偶获取准确的数据 可能具有挑战性。本应用笔记探讨了热电偶的结构及其工作原理背后的物理原理。 提供一种理解，这将有助于读者提高阅读的准确性。

如何创建热电偶

形成“热”和“冷”结的两个不同导体的组合会产生热电偶（图 1）。 将两个结保持在不同的温度下会产生电动势（EMF），也称为 热电电压。EMF在毫伏范围内测量，是一种称为 塞贝克效应，描述由热电偶材料产生的电压以及热结和冷结之间的温差。

图1.基波热电偶。

等式1提供了塞贝克效应的线性近似。

ÆV = S × (Th - Tc)

ÆV：两种不同金属之间的电压差

S：以V/K为单位的塞贝克系数（通常以μV/°C为单位）

Th - Tc：热端和冷端之间的温差

塞贝克系数特定于用于构建热电偶的两个导体。它有一个 非线性对温度的依赖性。使用塞贝克效应的线性近似可以产生重要的测量结果 错误。现代热电偶测量技术应考虑到这种非线性。重要的是 了解温度测量不能仅根据热电偶产生的EMF来确定。相反 必须知道以下三个参数：

热结和冷结之间的热梯度引起的热电电压

热电偶类型

冷端温度

如果这些变量中的任何一个未知，则无法确定热电偶检测结处的温度。 公式2显示了在考虑上述参数的情况下测量热电偶热端温度的更新计算：

Th：热端温度（以°C为单位）

Tc： 冷端温度（以°C为单位）

a（Tc）：塞贝克系数作为T的函数c单位：μV/°C

影响热电偶读数精度的因素

牢记基础知识可以更容易理解可能影响热电偶精度的因素 测量。有了上面提到的三个必要参数，产生热结相对容易 热电偶的温度测量。然而，获取这些参数的方法可能会引入 测量不准确。以下因素可能会影响不同阶段的温度读数 测量和不同程度：

热电偶特性

冷端测量

嘈杂的环境

线性化

热电偶特性

有时，热电偶本身的问题会导致读数不准确。这些问题可能来自损坏 随着热电偶年龄的增长而发生。需要注意的一些常见问题包括：

热结热/电气连接不良—如果两者，可能会产生错误的热电电压 导体在热端未正确连接在一起。裸线结、绝缘结和 接地结是热电偶中最常见的热结类型。下文将进一步说明它们：

裸线热电偶—两根引线可以以不同的方式连接在一起。引线可以扭在一起，焊接 一起，或焊接在一起。对于机械振动过大的应用，将引线扭在一起不是 推荐。对于高温应用，不应将结焊接在一起，因为可能会 焊料回流。冷焊引线在一起通常是最佳选择。

绝缘结点 - 基于结点的结构，绝缘结点在机械上更坚固，并且 与裸线型热电偶相比耐腐蚀。但是，由于没有直接的金属表面 暴露在测量温度下，热端的热阻增加。这会减慢 热电偶对温度变化的响应。因此，在需要快速响应温度的地方 更换，不建议使用绝缘连接。在某些情况下，响应缓慢可能是有利的，因为它有助于 过滤掉“噪音”。对于导热系数低的材料，也不建议使用绝缘液络部（如 常见于某些气体）。

接地结—结构类似于绝缘结热电偶的结构，具有连接点电连接到保护护套的附加功能。虽然结构类型机械坚固并可防止腐蚀，但由于与保护护套的金属连接，接地结的响应时间比绝缘结快（尽管由于护套的热质量，它们仍然可能很慢）。但是，由于热电偶的尖端直接焊接在保护护套上，因此整个表面都容易受到影响。如果护套与电信号接触，将使来自热电偶的EMF信号不可靠。这种副作用通常被忽视，对于使用接地结的应用，需要仔细规划。另一个重要的考虑因素是，“接地”护套的电位可以是mV甚至V，与系统接地电位不同。通常，信号调理电路的电源需要隔离。

沿热电偶线路的串联电阻—由于热电偶是导体，导体或连接电路中的寄生电阻可能会影响信号。如果引线太长或太细，则在EMF到达冷结之前，总串联电阻可能会导致信号衰减。解决此问题的一种方法是使用一种称为“扩展级”的特殊类型的热电偶线，该线旨在将热电电路承载更长的距离。

用于构建热电偶的低档材料—一些更便宜的热电偶由低冶金级度材料制成。使用这种材料可能会导致结构中的杂质对每批金属产生不同的影响，从而产生可变的塞贝克系数。

引线长度的电气隔离问题—如果使用错误类型的绝缘或劣质绝缘来分离热电偶的两根引线，可能会出现几个问题。在高温应用中，如果使用非耐温类型的绝缘，绝缘会熔化，导致暴露在引线中。绝缘部分的断裂也可能暴露热电偶引线。一旦热电偶引线暴露在元件中，它们可能会腐蚀，导致短路或线路故障，或将其他电信号引入线路。正极和负极引线也有可能短路在一起，这将产生过早的热结，仍然提供错误位置的温度读数。

热电偶类型—每种热电偶类型都有指定的温度测量范围。给定的热电偶必须 能够承受将要应用的环境条件。具有广泛的操作范围和 结构便宜的K型热电偶是一些最常用的类型。一些热电偶解决方案 仅适用于给定的热电偶类型。MAX31856等集成方案可配置，支持所有 常见的热电偶类型。

上面的列表提供了一些常见问题，这些问题可能导致基于选择的准确性下降 热电偶。然而，即使选择了良好的热电偶，也无法防止一些错误。

测量冷端温度

当使用热电偶推导热结温度时，实现精确的冷端至关重要 测温。为了保持一致且已知的0°C温度，传统的冷端将是 在冰冷的水浴中冷却（因此得名“冷结”）。现代热电偶数字IC，如MAX31856 冷端补偿，通过计算和温度补偿冷端温度的影响 测量。温度传感器通常用于测量冷端温度。

使用人工冷端补偿时，精度的一个重要考虑因素是放置温度 传感器尽可能靠近真正的冷端。此外，请确保冷端和测量IC位于 相同的温度。一种方法是最大化两个设备之间的导热系数并放置它们 远离任何热源。热电偶引线是直接焊接到电路板上还是通过端子连接 模块，最小化引线和温度传感器之间的热梯度，提高所有温度的精度 读数。

解决嘈杂环境

由于热电偶产生的信号非常小，因此热电偶测量容易受到来自 噪声。磁通量的差异或沿引线长度的电磁干扰 （EMI） 暴露情况可以 在热电偶信号中产生噪声。热电偶通常用于工业环境，这些环境是普遍存在的地方。 有机会将噪声引入信号中。一个常见的噪声源是由磁场的 60Hz或50Hz线路噪声的磁通差，具体取决于国家/地区。这些场感应电流 沿着热电偶的引线，并可能在信号中引入误差。为了解决这个问题，MAX31856等IC实现了 设计包括内部滤波器，具有可配置的陷波频率，频率为 50Hz 或 60Hz。使用内部过滤器 电路中，感应到来自市电工频的信号中的干扰可以降到最低。

对于更高的频率，可以使用铁氧体磁珠和差分滤波器来降低耦合到热电偶中的噪声 导致。在正极和负极引线之间安装一个100nF差分电容器，靠近人工冷 结点有助于减轻热电偶线路中引起的一些噪声。在噪声较高的应用中 电平，尤其是高强度RF场，应在每根引线和地之间放置额外的10nf电容器。

图2.热电偶 IC，热电偶输入端带有滤波电容器。

电源耦合噪声可能出现在热电偶测量中。为了将此类噪声的影响降至最低，0.1μF的噪声 陶瓷旁路电容器可以放置在尽可能靠近 DVDD 和 AVDD 引脚和 GND 的位置。这样做有助于防止 电源电压尖峰会影响温度转换。图2所示为典型应用电路 用于MAX31856热电偶检测IC，热电偶输入端应用滤波电容。此外 尽可能扭曲热电偶线可防止电容耦合噪声显示为差分噪声 电压项。

支持多种转换方法

如前所述，任何热电偶类型的塞贝克系数都取决于热电偶的温度， 它产生了电压到温度的非线性传递函数。美国国家标准与技术研究院 （NIST） 维护一个已发布的电压到温度转换数据库，用于校准和测试每个 热电偶类型。该数据库包括几种不同的转换方法。一种方法是电压-温度 查找表，将差分热电电压映射到整个温度范围内的温度值 每种热电偶类型（假设冷端在0°C）。另一种方法是一系列 9千- 或 10千-次序 用于将电压转换为温度或温度转换为电压的多项式方程。

在大多数应用中，在ADC对原始热电偶电压进行数字化处理后，必须将ADC输出代码转换为 温度读数，通过查找表或多个浮点计算。使用查找表 较大的温度范围会消耗大量内存。另一方面，执行许多浮点计算 在低成本微控制器应用中消耗大量处理能力。MAX31856提供灵活性 通过允许任一类型的转换方法。它具有一个内部查找表，可提供线性化和 冷端补偿温度读数，或能够回读原始ADC结果以进行进一步处理 微控制器固件中的滤波。

总结

从热电偶获得高精度的温度读数需要仔细考虑许多因素。这 在以下情况下，必须正确解决热端的噪声、护套电导率和隔热性的影响 执行热电偶构造和放置。适当的屏蔽、射频滤波、去耦和串联电阻 必须最小化热电偶引线以正确处理相应的热电电压。一次 热电信号到达PCB或测量设备，精确的冷端补偿，线路频率 从电压到温度的滤波、数字化和转换对于减少测量误差至关重要。使用 热电偶数字转换器IC（如MAX31856）可以简化高精度热电偶的采集 通过在单个IC中解决本应用笔记中讨论的所有挑战来读取读数。

审核编辑：郭婷