熱電偶、熱電效應和熱電效應原理

熱電偶（thermocouple）是把兩(liang) 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(chuan) 感器。

1821年，德國科學家托馬斯·約翰·塞貝克發現了電流熱效應的逆效應：即當給一段金屬絲(si) 的兩(liang) 端施加不同溫度時，金屬絲(si) 兩(liang) 端會(hui) 產(chan) 生電動勢，閉合回路後金屬絲(si) 中會(hui) 有電流流過。這種現象被稱為(wei) “熱電效應”，也叫“塞貝克效應”。

熱電效應原理：如圖1，用兩(liang) 種不同顏色表示兩(liang) 種不同的金屬材料，A、B端在常溫環境中用於(yu) 測溫端口，稱為(wei) 冷端。C點為(wei) 被測端，由於(yu) 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(hui) 產(chan) 生電勢差。而因為(wei) 兩(liang) 種金屬材料的不同，導致這兩(liang) 個(ge) 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，最後就可以通過測量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(cong) 1988年1月1日起按IEC國際標準生產(chan) ，並指定S、R、B、K、J、T、N、E八種標準化熱電偶為(wei) 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(jia) 格相對較高；K、T、J、N、E型熱電偶使用的金屬比較廉價(jia) ，所以相對價(jia) 格較便宜。下麵介紹這幾種熱電偶的測溫範圍以及優(you) 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(wei) 1300℃和1600℃，短期最高使用溫度分別為(wei) 1600℃和1800℃。優(you) 勢：具有準確度最高，穩定性最好，測溫溫區寬，使用壽命長等優(you) 點。它的物理、化學性能良好，熱電勢穩定性及在高溫下抗氧化性能好，適用於(yu) 氧化性和惰性氣氛中。

S型熱電偶具有優(you) 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(wei) 國際溫標的內(nei) 插儀(yi) 器。“ITS-90”雖被規定今後不再作為(wei) 國際溫標的內(nei) 插儀(yi) 器，但國際溫度谘詢委員會(hui) （CCT）認為(wei) ，S型熱電偶仍可用於(yu) 近似實現國際溫標。

R型熱電偶的綜合性能與(yu) S型熱電偶相當。B型熱電偶與(yu) S和R相似，但不適用於(yu) 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(you) 點是不需用補償(chang) 導線進行補償(chang) ，因為(wei) 在0~50℃範圍內(nei) 熱電勢小於(yu) 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，對汙染非常敏感，貴金屬材料昂貴。

K、N、E、J、T型熱電偶

測溫範圍以及優(you) 勢和劣勢見表1：

補充：N型熱電偶克服了K型熱電偶的兩(liang) 個(ge) 重要缺點：K型熱電偶在300~500℃間，由於(yu) 鎳鉻合金的晶格短程有序而引起的熱電動勢不穩定；在800℃左右，由於(yu) 鎳鉻合金發生擇優(you) 氧化引起的熱電動勢不穩定。

表1

熱電偶的優(you) 缺點

優(you) 點：

a.溫度範圍廣：從(cong) 低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用於(yu) 大多數實際的溫度範圍。熱電偶測量溫度範圍在–200°C至+2500°C之間，具體(ti) 取決(jue) 於(yu) 所使用的金屬線。

b.堅固耐用：熱電偶屬於(yu) 耐用器件，抗衝(chong) 擊振動性好，適合於(yu) 危險惡劣的環境。

c.響應快：因為(wei) 它們(men) 體(ti) 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(men) 可在數百毫秒內(nei) 對溫度變化作出響應。

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

缺點：

a.信號調理複雜：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(hui) 引入誤差，導致精度降低。

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

c.易受腐蝕：因為(wei) 熱電偶由兩(liang) 種不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時間而腐蝕可能會(hui) 降低精度。因此，它們(men) 可能需要保護；且保養(yang) 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(chan) 生的噪聲可能會(hui) 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(nei) 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，有力抑製工頻頻率（50Hz/60Hz）及其諧波。

熱電偶和熱電阻的選擇要素

我們(men) 可以根據以下要素來進行熱電偶和熱電阻的選擇。

需要測量的溫度範圍：500℃以上一般選擇熱電偶，500℃以下看應用環境來選擇。

測量範圍選擇：熱電偶所測量的一般指“點”溫，熱電阻通常用於(yu) 測量空間溫度。

冷端補償(chang)

由於(yu) 熱電效應的原理。因此，需要一個(ge) 額外的溫度傳(chuan) 感器來測量參考點溫度，此參考點也就是我們(men) 常說的冷端補償(chang) 點。

常見的幾種冷端補償(chang) 傳(chuan) 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，尤其在寬溫度範圍內(nei) 。要求激勵電流，會(hui) 產(chan) 生自發熱，引起漂移。結合信號調理功能後的整體(ti) 係統精度差，隻適合測量精度低、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、穩定且特性線性，但封裝尺寸和成本，相對熱敏電阻高。因為(wei) 需要良好匹配的激勵源和采樣電路，所以設計相對更複雜，需要的外圍器件更好。用RTD作為(wei) 冷端補償(chang) 的熱電偶測量係統，通常對係統級精密度要求更高。

3.集成式溫度傳(chuan) 感器：集成溫度傳(chuan) 感器是一種以半導體(ti) 工藝製成的集成式測溫元件。通過半導體(ti) 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，可獲得遠低於(yu) 1°C的係統級精度。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係統的冷端補償(chang) 方案，使用和設計都最為(wei) 簡單。

集成式溫度傳(chuan) 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、用於(yu) 冷端補償(chang) 的溫度傳(chuan) 感器——ADT7320。功能框圖如圖3:

圖3

ADT7320是一款高精度數字溫度傳(chuan) 感器，使用16位ADC來監測和數字化溫度參數，其分辨率為(wei) 0.0078°C。默認情況下，ADC分辨率設置為(wei) 13Bit(0.0625°C)。其原理是，內(nei) 部溫度傳(chuan) 感器產(chan) 生與(yu) 絕對溫度成比例的電壓，這個(ge) 電壓與(yu) 內(nei) 部的參考電壓做比較，然後輸入到精密數字調製器中。

內(nei) 部溫度傳(chuan) 感器在整個(ge) 額定溫度範圍內(nei) 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(ge) 10K的上拉電阻，直接向後端MCU發出中斷信號。

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(wei) 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(jue) 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幹擾信號，以及ESD和過壓保護等因素。

圖4

AD849x專(zhuan) 為(wei) 測量和放大J型和K型熱電偶信號而優(you) 化，通過CMOS工藝不僅(jin) 在其前端集成了ESD和過壓保護功能，其優(you) 異的抗共模能力使其擁有5mV/°C係統級線性響應Vout=（TMJ×5mV/°C）+VREF，其中TMJ表示熱電偶的測量結溫。AD849x同係差異化對比如圖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24bitADC為(wei) 核心，內(nei) 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(jue) 方案。可實現高分辨率、低噪聲性能和低非線性度誤差能力。

片內(nei) 低噪聲PGA，可通過軟件靈活調整增益編程範圍（1、2、4、8、16、32、64、128），來調整輸入信號的幅度，達到ADC的有效采樣範圍。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3.3nA，在低功耗模式下為(wei) 1nA（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(chang) 的參考設計。使用兩(liang) 個(ge) 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(wei) 全差分輸入通道，用於(yu) 測量熱電偶產(chan) 生的電壓。對於(yu) 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(ge) 基準電壓源，使用AD7124-4/AD7124-8內(nei) 置2.5V基準電壓源。

針對冷結補償(chang) ，一個(ge) 激勵電流源用於(yu) 激勵RTD。此電流從(cong) AVDD產(chan) 生，流向AIN1。圖6詳細顯示了模擬引腳及其配置。

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

圖6

LTC298X

LTC298X測量各種溫度傳(chuan) 感器並數字輸出結果（以°C或°F為(wei) 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(yi) 熱電偶的溫度，自動補償(chang) 冷端溫度並實現結果線性化。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(ge) 可重新配置的模擬輸入，支持許多傳(chuan) 感器連接和配置選項。LTC298X包括適用於(yu) 每種溫度傳(chuan) 感器的激勵電流源和故障檢測電路。

LTC298X可直接與(yu) 接地參考傳(chuan) 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(nei) 部10ppm/°C（最大值）基準電壓源驅動的三個(ge) 高精度、24位ΔΣADC進行緩衝(chong) 和同步數字化。

圖7

AD7124orLTC298X

精度：LTC298x具有0.1°C的準確度，AD7124在測量在?50℃至+200℃的測量溫度範圍內(nei) 具有±1℃的整體(ti) 係統精度。

通道：冷端補償(chang) 以4線RTD為(wei) 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(guan) 要求。而相對成本較低的AD7124-X，雖同樣擁有較高的係統級采樣精度，但可測量的路數較少，並且需要設計者對係統校準花費一定的精力。

保護：LTC298x係列產(chan) 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(zhuan) 業(ye) 、精確、靈活的ADI熱電偶測量產(chan) 品和方案，以及係統級采樣方案，給設計者帶來便捷！