熱電偶是一種常見的溫度傳感器類型，用于從實驗室測試臺到工業的各種應用 環境。然而，與許多類型的傳感器一樣，使用熱電偶獲取準確的數據 可能具有挑戰性。本應用筆記探討了熱電偶的結構及其工作原理背后的物理原理。 提供一種理解，這將有助于讀者提高閱讀的準確性。
如何創建熱電偶
形成“熱”和“冷”結的兩個不同導體的組合會產生熱電偶（圖 1）。 將兩個結保持在不同的溫度下會產生電動勢（EMF），也稱為 熱電電壓。EMF在毫伏范圍內測量，是一種稱為 塞貝克效應，描述由熱電偶材料產生的電壓以及熱結和冷結之間的溫差。
圖1.基波熱電偶。
等式1提供了塞貝克效應的線性近似。
?V = S × （Th - Tc）
?V：兩種不同金屬之間的電壓差
S：以V/K為單位的塞貝克系數（通常以μV/°C為單位）
Th - Tc：熱端和冷端之間的溫差
塞貝克系數特定于用于構建熱電偶的兩個導體。它有一個 非線性對溫度的依賴性。使用塞貝克效應的線性近似可以產生重要的測量結果 錯誤。現代熱電偶測量技術應考慮到這種非線性。重要的是 了解溫度測量不能僅根據熱電偶產生的EMF來確定。相反 必須知道以下三個參數：
熱結和冷結之間的熱梯度引起的熱電電壓
熱電偶類型
冷端溫度
如果這些變量中的任何一個未知，則無法確定熱電偶檢測結處的溫度。 公式2顯示了在考慮上述參數的情況下測量熱電偶熱端溫度的更新計算：
Th：熱端溫度（以°C為單位）
Tc： 冷端溫度（以°C為單位）
a（Tc）：塞貝克系數作為T的函數c單位：μV/°C
影響熱電偶讀數精度的因素
牢記基礎知識可以更容易理解可能影響熱電偶精度的因素 測量。有了上面提到的三個必要參數，產生熱結相對容易 熱電偶的溫度測量。然而，獲取這些參數的方法可能會引入 測量不準確。以下因素可能會影響不同階段的溫度讀數 測量和不同程度：
熱電偶特性
冷端測量
嘈雜的環境
線性化
熱電偶特性
有時，熱電偶本身的問題會導致讀數不準確。這些問題可能來自損壞 隨著熱電偶年齡的增長而發生。需要注意的一些常見問題包括：
熱結熱/電氣連接不良—如果兩者，可能會產生錯誤的熱電電壓 導體在熱端未正確連接在一起。裸線結、絕緣結和 接地結是熱電偶中最常見的熱結類型。下文將進一步說明它們：
裸線熱電偶—兩根引線可以以不同的方式連接在一起。引線可以扭在一起，焊接 一起，或焊接在一起。對于機械振動過大的應用，將引線扭在一起不是 推薦。對于高溫應用，不應將結焊接在一起，因為可能會 焊料回流。冷焊引線在一起通常是最佳選擇。
絕緣結點 - 基于結點的結構，絕緣結點在機械上更堅固，并且 與裸線型熱電偶相比耐腐蝕。但是，由于沒有直接的金屬表面 暴露在測量溫度下，熱端的熱阻增加。這會減慢 熱電偶對溫度變化的響應。因此，在需要快速響應溫度的地方 更換，不建議使用絕緣連接。在某些情況下，響應緩慢可能是有利的，因為它有助于 過濾掉“噪音”。對于導熱系數低的材料，也不建議使用絕緣液絡部（如 常見于某些氣體）。
接地結—結構類似于絕緣結熱電偶的結構，具有連接點電連接到保護護套的附加功能。雖然結構類型機械堅固并可防止腐蝕，但由于與保護護套的金屬連接，接地結的響應時間比絕緣結快（盡管由于護套的熱質量，它們仍然可能很慢）。但是，由于熱電偶的尖端直接焊接在保護護套上，因此整個表面都容易受到影響。如果護套與電信號接觸，將使來自熱電偶的EMF信號不可靠。這種副作用通常被忽視，對于使用接地結的應用，需要仔細規劃。另一個重要的考慮因素是，“接地”護套的電位可以是mV甚至V，與系統接地電位不同。通常，信號調理電路的電源需要隔離。
沿熱電偶線路的串聯電阻—由于熱電偶是導體，導體或連接電路中的寄生電阻可能會影響信號。如果引線太長或太細，則在EMF到達冷結之前，總串聯電阻可能會導致信號衰減。解決此問題的一種方法是使用一種稱為“擴展級”的特殊類型的熱電偶線，該線旨在將熱電電路承載更長的距離。
用于構建熱電偶的低檔材料—一些更便宜的熱電偶由低冶金級度材料制成。使用這種材料可能會導致結構中的雜質對每批金屬產生不同的影響，從而產生可變的塞貝克系數。
引線長度的電氣隔離問題—如果使用錯誤類型的絕緣或劣質絕緣來分離熱電偶的兩根引線，可能會出現幾個問題。在高溫應用中，如果使用非耐溫類型的絕緣，絕緣會熔化，導致暴露在引線中。絕緣部分的斷裂也可能暴露熱電偶引線。一旦熱電偶引線暴露在元件中，它們可能會腐蝕，導致短路或線路故障，或將其他電信號引入線路。正極和負極引線也有可能短路在一起，這將產生過早的熱結，仍然提供錯誤位置的溫度讀數。
熱電偶類型—每種熱電偶類型都有指定的溫度測量范圍。給定的熱電偶必須 能夠承受將要應用的環境條件。具有廣泛的操作范圍和 結構便宜的K型熱電偶是一些最常用的類型。一些熱電偶解決方案 僅適用于給定的熱電偶類型。MAX31856等集成方案可配置，支持所有 常見的熱電偶類型。
上面的列表提供了一些常見問題，這些問題可能導致基于選擇的準確性下降 熱電偶。然而，即使選擇了良好的熱電偶，也無法防止一些錯誤。
測量冷端溫度
當使用熱電偶推導熱結溫度時，實現精確的冷端至關重要 測溫。為了保持一致且已知的0°C溫度，傳統的冷端將是 在冰冷的水浴中冷卻（因此得名“冷結”）。現代熱電偶數字IC，如MAX31856 冷端補償，通過計算和溫度補償冷端溫度的影響 測量。溫度傳感器通常用于測量冷端溫度。
使用人工冷端補償時，精度的一個重要考慮因素是放置溫度 傳感器盡可能靠近真正的冷端。此外，請確保冷端和測量IC位于 相同的溫度。一種方法是最大化兩個設備之間的導熱系數并放置它們 遠離任何熱源。熱電偶引線是直接焊接到電路板上還是通過端子連接 模塊，最小化引線和溫度傳感器之間的熱梯度，提高所有溫度的精度 讀數。
解決嘈雜環境
由于熱電偶產生的信號非常小，因此熱電偶測量容易受到來自 噪聲。磁通量的差異或沿引線長度的電磁干擾 （EMI） 暴露情況可以 在熱電偶信號中產生噪聲。熱電偶通常用于工業環境，這些環境是普遍存在的地方。 有機會將噪聲引入信號中。一個常見的噪聲源是由磁場的 60Hz或50Hz線路噪聲的磁通差，具體取決于國家/地區。這些場感應電流 沿著熱電偶的引線，并可能在信號中引入誤差。為了解決這個問題，MAX31856等IC實現了 設計包括內部濾波器，具有可配置的陷波頻率，頻率為 50Hz 或 60Hz。使用內部過濾器 電路中，感應到來自市電工頻的信號中的干擾可以降到最低。
對于更高的頻率，可以使用鐵氧體磁珠和差分濾波器來降低耦合到熱電偶中的噪聲 導致。在正極和負極引線之間安裝一個100nF差分電容器，靠近人工冷 結點有助于減輕熱電偶線路中引起的一些噪聲。在噪聲較高的應用中 電平，尤其是高強度RF場，應在每根引線和地之間放置額外的10nf電容器。
圖2.熱電偶 IC，熱電偶輸入端帶有濾波電容器。
電源耦合噪聲可能出現在熱電偶測量中。為了將此類噪聲的影響降至最低，0.1μF的噪聲 陶瓷旁路電容器可以放置在盡可能靠近 DVDD 和 AVDD 引腳和 GND 的位置。這樣做有助于防止 電源電壓尖峰會影響溫度轉換。圖2所示為典型應用電路 用于MAX31856熱電偶檢測IC，熱電偶輸入端應用濾波電容。此外 盡可能扭曲熱電偶線可防止電容耦合噪聲顯示為差分噪聲 電壓項。
支持多種轉換方法
如前所述，任何熱電偶類型的塞貝克系數都取決于熱電偶的溫度， 它產生了電壓到溫度的非線性傳遞函數。美國國家標準與技術研究院 （NIST） 維護一個已發布的電壓到溫度轉換數據庫，用于校準和測試每個 熱電偶類型。該數據庫包括幾種不同的轉換方法。一種方法是電壓-溫度 查找表，將差分熱電電壓映射到整個溫度范圍內的溫度值 每種熱電偶類型（假設冷端在0°C）。另一種方法是一系列 9千- 或 10千-次序 用于將電壓轉換為溫度或溫度轉換為電壓的多項式方程。
在大多數應用中，在ADC對原始熱電偶電壓進行數字化處理后，必須將ADC輸出代碼轉換為 溫度讀數，通過查找表或多個浮點計算。使用查找表 較大的溫度范圍會消耗大量內存。另一方面，執行許多浮點計算 在低成本微控制器應用中消耗大量處理能力。MAX31856提供靈活性 通過允許任一類型的轉換方法。它具有一個內部查找表，可提供線性化和 冷端補償溫度讀數，或能夠回讀原始ADC結果以進行進一步處理 微控制器固件中的濾波。
總結
從熱電偶獲得高精度的溫度讀數需要仔細考慮許多因素。這 在以下情況下，必須正確解決熱端的噪聲、護套電導率和隔熱性的影響 執行熱電偶構造和放置。適當的屏蔽、射頻濾波、去耦和串聯電阻 必須最小化熱電偶引線以正確處理相應的熱電電壓。一次 熱電信號到達PCB或測量設備，精確的冷端補償，線路頻率 從電壓到溫度的濾波、數字化和轉換對于減少測量誤差至關重要。使用 熱電偶數字轉換器IC（如MAX31856）可以簡化高精度熱電偶的采集 通過在單個IC中解決本應用筆記中討論的所有挑戰來讀取讀數。
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