使用热电偶测量温度的两种方法具有简单、准确和灵活的特点

作者：Matthew Duff and Joseph Towey

热电偶是一种简单、广泛使用的用于测量温度的元件。本文提供了热电偶的基本概述，描述了使用热电偶进行设计时遇到的常见挑战，并提出了两种信号调理解决方案。第一种解决方案将参考接合点补偿和信号调理功能集成在单个模拟IC中，以方便易用;第二种解决方案将参考接合点补偿与信号调理分离，以提供具有更大灵活性和精度的数字输出温度检测。

热电偶理论

图1所示的热电偶由两根不同金属线组成，一端连接在一起，称为测量（“热”）结。另一端，即导线未连接的地方，连接到信号调理电路走线，通常由铜制成。热电偶金属和铜走线之间的这种结称为参考（“冷”）结。

图1.热电偶。

*我们使用术语“测量结”和“参考结”，而不是更传统的“热端”和“冷端”。传统的命名系统可能会令人困惑，因为在许多应用中，测量结可能比参考结冷。

参考接合点产生的电压取决于测量接合点和参考接合点的温度。由于热电偶是差分器件而不是绝对温度测量器件，因此必须知道参考结温才能获得准确的绝对温度读数。此过程称为参考端补偿（冷端补偿）。

热电偶已成为以合理的精度经济高效地测量各种温度的行业标准方法。它们用于锅炉、热水器、烤箱和飞机发动机等高达 +2500°C 的各种应用。最受欢迎的热电偶是K型，由铬和铝合金（分别含有铬的商标镍合金以及铝，锰和硅）组成，测量范围为–200°C至+ 1250°C。®®

为什么使用热电偶？

优势

温度范围：大多数实用的温度范围，从低温到喷气发动机排气，都可以使用热电偶。根据所使用的金属线，热电偶能够测量–200°C至+2500°C范围内的温度。

坚固耐用： 热电偶是坚固耐用的设备，不受冲击和振动的影响，适用于危险环境。

快速响应：由于热电偶体积小且热容量低，因此对温度变化反应迅速，尤其是在检测结暴露的情况下。它们可以在几百毫秒内对快速变化的温度做出反应。

无自热：由于热电偶不需要激励功率，因此它们不易自发热，并且本质安全。

弊

复杂的信号调理：为了将热电偶电压转换为可用的温度读数，需要进行大量的信号调理。传统上，信号调理需要在设计时间上进行大量投资，以避免引入降低精度的错误。

精度：除了热电偶由于其冶金特性而固有的不准确性外，热电偶测量的精度仅与可以测量的参考结温一样精确，传统上在1°C至2°C范围内。

易腐蚀性：由于热电偶由两种不同的金属组成，因此在某些环境中，随着时间的推移腐蚀可能会导致精度下降。因此，他们可能需要保护;护理和维护至关重要。

对噪声的敏感性：当测量微伏级信号变化时，杂散电场和磁场的噪声可能是一个问题。绞合热电偶线对可以大大减少磁场拾取。在金属导管和防护装置中使用屏蔽电缆或导线可以减少电场拾取。测量设备应通过硬件或软件提供信号滤波，强烈抑制线路频率（50 Hz/60 Hz）及其谐波。

使用热电偶测量的困难

将热电偶产生的电压转换为精确的温度读数并不容易，原因有很多：电压信号小，温度-电压关系非线性，需要参考结补偿，以及热电偶可能造成接地问题。让我们一一考虑这些问题。

电压信号小：最常见的热电偶类型是J，K和T。在室温下，它们的电压分别在52 μV/°C、41 μV/°C和41 μV/°C变化。其他不太常见的类型随温度的变化电压甚至更小。这种小信号在模数转换之前需要一个高增益级。表1比较了各种热电偶类型的灵敏度。

表 1.25°C时各种热电偶类型的电压变化与温升
（塞贝克系数）。

 

热电偶 类型	塞贝克系数 （μV/°C）
E	61
J	52
K	41
N	27
R	9
S	6
T	41

 

由于电压信号很小，信号调理电路通常需要大约100左右的增益，这是相当简单的信号调理。更困难的是将实际信号与热电偶引线上拾取的噪声区分开来。热电偶引线很长，经常穿过电噪声环境。引线上拾取的噪声很容易压倒微小的热电偶信号。

通常结合两种方法从噪声中提取信号。第一种是使用差分输入放大器（如仪表放大器）来放大信号。由于大部分噪声出现在两根导线上（共模），因此差分测量可以消除噪声。第二种是低通滤波，可消除带外噪声。低通滤波器应消除可能导致放大器整流的射频干扰（1 MHz以上）和50 Hz/60 Hz（电源）嗡嗡声。将射频干扰滤波器放在放大器之前（或使用具有滤波输入的放大器）非常重要。50 Hz/60 Hz滤波器的位置通常并不重要，它可以与RFI滤波器结合使用，放置在放大器和ADC之间，作为Σ-Δ ADC的一部分，也可以在软件中编程为平均滤波器。

参考接合点补偿：必须知道热电偶参考结的温度才能获得准确的绝对温度读数。当首次使用热电偶时，这是通过将参考结保持在冰浴中来完成的。图2描述了一个热电偶电路，其一端处于未知温度，另一端在冰浴（0°C）中。该方法用于详尽地表征各种热电偶类型，因此几乎所有热电偶表都使用0°C作为参考温度。

图2.基本铁-康铜热电偶电路。

但是，对于大多数测量系统来说，将热电偶的参考结保持在冰浴中是不切实际的。相反，大多数系统使用一种称为参考端补偿（也称为冷端补偿）的技术。参考结温由另一个对温度敏感的器件（通常是IC、热敏电阻、二极管或RTD（电阻温度检测器））测量。然后对热电偶电压读数进行补偿，以反映参考结温。尽可能准确地读取参考接合点非常重要，并且精确的温度传感器应保持在与参考接合点相同的温度。读取参考结温的任何错误都将直接显示在最终的热电偶读数中。

有多种传感器可用于测量参考温度：

热敏电阻：响应速度快，封装小;但它们需要线性化且精度有限，尤其是在宽温度范围内。它们还需要电流进行激励，这会产生自发热，导致漂移。当与信号调理结合使用时，整体系统精度可能很差。

电阻温度检测器（RTD）：RTD精确、稳定且线性合理，但封装尺寸和成本限制了其在过程控制应用中的使用。

远程热二极管：二极管用于检测热电偶连接器附近的温度。调理芯片将与温度成比例的二极管电压转换为模拟或数字输出。其精度限制在约±1°C。

集成温度传感器：集成温度传感器是在本地检测温度的独立IC，应小心地安装在参考接合点附近，并且可以结合参考接合点补偿和信号调理。精度可在 1°C 的一小部分以内。

电压信号是非线性的： 热电偶响应曲线的斜率随温度变化。例如，在0°C时，T型热电偶输出在39 μV/°C时变化，但在100°C时，斜率增加到47 μV/°C。

有三种常见的方法来补偿热电偶的非线性。

选择曲线中相对平坦的部分，并将该区域的斜率近似为线性，这种方法特别适用于有限温度范围内的测量。无需复杂的计算。K型和J型热电偶受欢迎的原因之一是它们都具有较大的温度范围，灵敏度的增量斜率（塞贝克系数）保持相当恒定（见图3）。

图3.热电偶灵敏度随温度的变化。请注意，从41°C到0°C，K型的塞贝克系数大致恒定在约1000μV/°C。

另一种方法是在内存中存储一个查找表，该查找表将一组热电偶电压中的每一个与其各自的温度相匹配。然后在表中两个最近的点之间使用线性插值来获取其他温度值。

第三种方法是使用高阶方程来模拟热电偶的行为。虽然这种方法最准确，但它也是计算量最大的。每个热电偶有两组方程。一组将温度转换为热电偶电压（用于参考结补偿）。另一组将热电偶电压转换为温度。热电偶表和高阶热电偶方程可在 http://srdata.nist.gov/its90/main/ 中找到。表格和公式均基于0°C的参考结温。 如果参考接合点处于任何其他温度，则必须使用参考接合点补偿。

接地要求：热电偶制造商为测量结制造带有绝缘和接地尖端的热电偶（图 4）。

图4.热电偶测量结类型。

热电偶信号调理的设计应避免在测量接地热电偶时出现接地环路，但在测量绝缘热电偶时，还应为放大器输入偏置电流提供路径。此外，如果热电偶尖端接地，则放大器输入范围应设计为处理热电偶尖端和测量系统接地之间的任何接地电位差异（图 5）。

图5.使用不同尖端类型时的接地选项。

对于非隔离系统，双电源信号调理系统通常更适合接地尖端和裸露尖端类型。由于其宽共模输入范围，双电源放大器可以处理PCB（印刷电路板）接地与热电偶尖端接地之间的大电压差。如果放大器的共模范围在单电源配置中具有一定的地电位以下测量能力，则单电源系统在所有三种尖端情况下都能令人满意地工作。为了解决某些单电源系统中的共模限制，将热电偶偏置至中间电平电压很有用。这适用于绝缘热电偶尖端，或者整个测量系统是隔离的。但是，不建议用于设计用于测量接地或裸露热电偶的非隔离系统。

实用的热电偶解决方案：热电偶信号调理比其他温度测量系统更复杂。设计和调试信号调理所需的时间会增加产品的上市时间。信号调理误差，尤其是参考接合点补偿部分的误差，会导致精度降低。以下两种解决方案可解决这些问题。

第一个详细介绍了一个简单的模拟集成硬件解决方案，将直接热电偶测量与使用单个IC的参考结补偿相结合。第二种解决方案详细介绍了基于软件的参考接合点补偿方案，该方案提高了热电偶测量的精度，并灵活地使用多种类型的热电偶。

测量解决方案 1：针对简单性进行了优化

图6显示了测量K型热电偶的原理图。它基于使用AD8495热电偶放大器，该放大器专门设计用于测量K型热电偶。该模拟解决方案针对最短的设计时间进行了优化：它具有简单的信号链，无需软件编码。

图6.测量解决方案1：针对简单性进行了优化。

这个简单的信号链如何满足K型热电偶的信号调理要求？

增益和输出比例因子：小热电偶信号由AD8495的122增益放大，输出信号灵敏度为5 mV/°C（200°C/V）。

噪：高频共模和差分噪声由外部RFI滤波器消除。低频共模噪声由AD8495的仪表放大器抑制。任何剩余的噪声都由外部柱后滤波器解决。

参考接合点补偿：AD8495内置一个温度传感器，用于补偿环境温度的变化，必须放置在基准接合点附近，以保持两者处于相同温度，以实现精确的参考接合点补偿。

非线性校正：AD8495经过校准，可在K型热电偶曲线的线性部分提供5 mV/°C输出，在–2°C至+25°C温度范围内线性误差小于400°C。如果需要超出此范围的温度，ADI公司应用笔记AN-1087介绍了如何在微处理器中使用查找表或公式来扩展温度范围。

处理绝缘、接地和裸露的热电偶：图5显示了一个接地的1MΩ电阻，该电阻适用于所有热电偶尖端类型。AD8495经过专门设计，采用如图所示的单电源供电时，能够测量地电位以下几百毫伏的电压。如果预计接地差分更大，AD8495也可以采用双电源供电。

有关AD8495的更多信息：图7所示为AD8495热电偶放大器的框图。放大器A1、A2和A3以及所示电阻构成仪表放大器，以适当的增益放大K型热电偶的输出，以产生5 mV/°C的输出电压。 标有“参考结补偿”的盒子内是一个环境温度传感器。在测量结温保持恒定的情况下，如果参考结温因任何原因升高，来自热电偶的差分电压将降低。如果微型（3.2 mm × 3.2 mm × 1.2 mm）AD8495与基准接合点的热接近，则基准接合点补偿电路会向放大器注入额外的电压，使输出电压保持恒定，从而补偿基准温度变化。

图7.AD8495功能框图

表2总结了使用AD8495的集成硬件解决方案的性能：

表 2.解决方案 1（图 6）性能摘要

 

热电偶类型	测量结温范围	参考结温范围	25°C 时的精度	功耗
K	–25°C 至 +400°C	0°C 至 50°C	±3°C （A 级） ±1°C （C 级）	1.25毫瓦

 

测量解决方案 2：针对准确性和灵活性进行了优化

图8显示了高精度测量J型、K型或T型热电偶的原理图。该电路包括一个用于测量小信号热电偶电压的高精度ADC和一个用于测量参考结温的高精度温度传感器。两款器件均使用来自外部微控制器的SPI接口进行控制。

图8.测量解决方案2：针对准确性和灵活性进行了优化。

此配置如何满足前面提到的信号调理要求？

消除噪声并放大电压： AD7793（如图9所示）是一款高精度、低功耗模拟前端，用于测量热电偶电压。热电偶输出经过外部滤波，并连接到一组差分输入AIN1（+）和AIN1（–）。然后，信号通过多路复用器、缓冲器和仪表放大器（放大小热电偶信号）路由到ADC，ADC将信号转换为数字信号。

图9.AD7793功能框图

补偿参考结温：ADT7320（详见图10）如果放置在足够靠近基准接合点的位置，则可以在–0°C至+2°C范围内精确测量至±10.85°C的参考结温。 片内温度传感器产生与绝对温度成比例的电压，将其与内部基准电压进行比较，并施加于精密数字调制器。调制器的数字化结果更新16位温度值寄存器。然后可以使用SPI接口从微控制器回读温度值寄存器，并与ADC的温度读数相结合以实现补偿。

图 10.ADT7320功能框图

正确的非线性度：ADT7320在整个额定温度范围内（–40°C至+125°C）提供出色的线性度，无需用户进行校正或校准。因此，其数字输出可以被认为是参考接合点状态的准确表示。

为了确定实际的热电偶温度，必须使用美国国家标准与技术研究院（NIST）提供的公式将此参考温度测量值转换为等效热电电压。然后将该电压添加到AD7793测量的热电偶电压中;然后将求和转换回热电偶温度，再次使用NIST方程。

处理绝缘和接地热电偶：图8显示了一个带有裸露尖端的热电偶。这提供了最佳的响应时间，但相同的配置也可以与绝缘尖端热电偶一起使用。

表3总结了使用NIST数据的基于软件的参考液络部测量解决方案的性能：

表 3.解决方案 2（图 8）性能摘要

 

热电偶类型	测量结温范围	参考结温范围	准确性	功耗
J， K， T	全方位	–10°C 至 +85°C –20°C 至 +105°C	±0.2°C ±0.25°C	3毫瓦 3毫瓦

 

结论

热电偶可在相当宽的温度范围内提供可靠的温度测量，但由于需要在设计时间和精度之间进行权衡，因此它们通常不是温度测量的首选。本文提出了解决这些问题的经济有效的方法。

第一种解决方案侧重于通过基于硬件的模拟参考接合点补偿技术来降低测量的复杂性。它依靠AD8495热电偶放大器提供的集成，产生5 mV/°C输出信号，可馈入各种微控制器的模拟输入，从而形成简单的信号链，无需软件编程。

第二种解决方案提供最高精度的测量，还可以使用各种热电偶类型。它是一种基于软件的参考接合点补偿技术，依靠高精度ADT7320数字温度传感器提供比迄今为止可实现的更精确的参考接合点补偿测量。ADT7320经过全面校准，额定温度范围为–40°C至+125°C。与传统的热敏电阻或RTD传感器测量不同，它完全透明，既不需要在电路板组装后进行昂贵的校准步骤，也不会消耗处理器或内存资源与校准系数或线性化程序。它仅消耗微瓦的功率，避免了破坏传统电阻传感器解决方案精度的自发热问题。

审核编辑：郭婷