【導讀】熱電偶（thermocouple）是把兩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感器。

熱電偶、熱電效應和熱電效應原理

熱電偶（thermocouple）是把兩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：即當給一段金屬絲的兩端施加不同溫度時
，金屬絲兩端會產生電動勢
，閉合回路後金屬絲中會有電流流過。這種現象被稱為“熱電效應”，也叫“塞貝克效應”。

熱電效應原理：如圖1
，用兩種不同顏色表示兩種不同的金屬材料，A、B 端在常溫環境中用於測溫端口，稱為冷端。C點為被測端，由於熱電效應，在 A端和C端以及B端和C端之間溫度不同
，所以會產生電勢差。而因為兩種金屬材料的不同，導致這兩個電勢差不一樣，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1988年1月1日起按IEC國際標準生產，並指定S
、R、B、K
、J、T
、N、E八種標準化熱電偶為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，所以價格相對較高；K、T

、J
、N、E型熱電偶使用的金屬比較廉價
，所以相對價格較便宜。下麵介紹這幾種熱電偶的測溫範圍以及優缺點：

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1300℃和1600℃

，短期最高使用溫度分別為1600℃和1800℃。優勢：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，適用於氧化性和惰性氣氛中。

S型熱電偶具有優良的綜合性能
，符合國際使用溫標的S型熱電偶
，曾長期作為國際溫標的內插儀器。“ITS-90”雖被規定今後不再作為國際溫標的內插儀器，但國際溫度谘詢委員會（CCT）認為

，S型熱電偶仍可用於近似實現國際溫標。

R型熱電偶的綜合性能與S型熱電偶相當。B型熱電偶與S和R相似，但不適用於還原性氣氛或含有金屬或非金屬蒸氣氣氛中。但其明顯的優點是不需用補償導線進行補償，因為在0~50℃範圍內熱電勢小於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

測溫範圍以及優勢和劣勢見表1：

補充：N型熱電偶克服了K型熱電偶的兩個重要缺點：K型熱電偶在300~500℃間，由於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
，由於鎳鉻合金發生擇優氧化引起的熱電動勢不穩定。　

表1

熱電偶的優缺點

優點：

a.溫度範圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用於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，具體取決於所使用的金屬線。

b.堅固耐用：熱電偶屬於耐用器件

，抗衝擊振動性好，適合於危險惡劣的環境。

c.響應快：因為它們體積小
，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。它們可在數百毫秒內對溫度變化作出響應。

d.無自發熱：由於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(jiang)熱(re)電(dian)偶(ou)電(dian)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)成(cheng)可(ke)用(yong)的(de)溫(wen)度(du)讀(du)數(shu)必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)大(da)量(liang)的(de)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)。一(yi)直(zhi)以(yi)來(lai)
，信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)耗(hao)費(fei)大(da)量(liang)設(she)計(ji)時(shi)間(jian)
，處(chu)理(li)不(bu)當(dang)就(jiu)會(hui)引(yin)入(ru)誤(wu)差(cha)，導(dao)致(zhi)精(jing)度(du)降(jiang)低(di)。

b.精度低：除了由於金屬特性導致的熱電偶內部固有不精確性外，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。

c.易受腐蝕：因為熱電偶由兩種不同的金屬所組成，在一些工況下，隨時間而腐蝕可能會降低精度。因此，它們可能需要保護；且保養維護必不可少。

d.抗噪性差：dangcelianghaofujixinhaobianhuashi，zasandianchanghecichangchanshengdezaoshengkenenghuiyinqiwenti。jiaohederedianouxianduikenengdafujiangdicichangouhe。shiyongpingbidianlanhuozaijinshudaoguanneizouxianhefanghukejiangdidianchangouhe。celiangqijianyingdangtigongyingjianhuoruanjianfangshidexinhaoguolv，youliyizhigongpinpinlv（50 Hz/60 Hz）及其諧波。

熱電偶和熱電阻的選擇要素

我們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，熱電阻通常用於測量空間溫度。

冷端補償

由於熱電效應的原理。因此


，需要一個額外的溫度傳感器來測量參考點溫度，此參考點也就是我們常說的冷端補償點。

常見的幾種冷端補償傳感器分別如下：

1.熱敏電阻：響應快、封(feng)裝(zhuang)小(xiao)。但(dan)要(yao)求(qiu)線(xian)性(xing)，精(jing)度(du)有(you)限(xian)，尤(you)其(qi)在(zai)寬(kuan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)。要(yao)求(qiu)激(ji)勵(li)電(dian)流(liu)
，會(hui)產(chan)生(sheng)自(zi)發(fa)熱(re)
，引(yin)起(qi)漂(piao)移(yi)。結(jie)合(he)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)功(gong)能(neng)後(hou)的(de)整(zheng)體(ti)係(xi)統(tong)精(jing)度(du)差(cha)，隻(zhi)適(shi)合(he)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)低(di)
、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wen定ding且qie特te性xing線xian性xing
，但dan封feng裝zhuang尺chi寸cun和he成cheng本ben，相xiang對dui熱re敏min電dian阻zu高gao。因yin為wei需xu要yao良liang好hao匹pi配pei的de激ji勵li源yuan和he采cai樣yang電dian路lu
，所suo以yi設she計ji相xiang對dui更geng複fu雜za
，需xu要yao的de外wai圍wei器qi件jian更geng好hao。用yongRTD作為冷端補償的熱電偶測量係統，通常對係統級精密度要求更高。

3.集成式溫度傳感器：集(ji)成(cheng)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)是(shi)一(yi)種(zhong)以(yi)半(ban)導(dao)體(ti)工(gong)藝(yi)製(zhi)成(cheng)的(de)集(ji)成(cheng)式(shi)測(ce)溫(wen)元(yuan)件(jian)。通(tong)過(guo)半(ban)導(dao)體(ti)工(gong)藝(yi)技(ji)術(shu)
，將(jiang)測(ce)溫(wen)等(deng)模(mo)擬(ni)單(dan)元(yuan)獲(huo)得(de)的(de)信(xin)息(xi)數(shu)字(zi)化(hua)輸(shu)出(chu)，高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)，可(ke)獲(huo)得(de)遠(yuan)低(di)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方案，使用和設計都最為簡單。

集成式溫度傳感器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、用於冷端補償的溫度傳感器—— ADT7320。功能框圖如圖3:

圖3

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

內部溫度傳感器在整個額定溫度範圍內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 redianoufangdaqiweiredianouwenduceliangxinhaotiaoliqianduantigongleyizhongjiandandedichengbenjiejuefangan。zhenduiredianoucaiyangduan，zaixianchangshejizhongwangwanghaiyaokaolvqigongmoganraoxinhao
，yijiESD和過壓保護等因素。

圖4

AD849x專為測量和放大J型和K型熱電偶信號而優化，通過CMOS工藝不僅在其前端集成了ESD和過壓保護功能
，其優異的抗共模能力使其擁有5mV/°C係統級線性響應Vout=（TMJ × 5 mV/°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24bit ADC為核心，內部高集成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3.3 nA
，在低功耗模式下為1 nA（典型值）。

圖6所示電路是針對典型的熱電偶，用RTD作冷端補償的參考設計。使用兩個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配置為全差分輸入通道，用於測量熱電偶產生的電壓。對於本電路

，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，因而需要一個基準電壓源，使用AD7124-4/AD7124-8內置2.5 V基準電壓源。

針對冷結補償，一個激勵電流源用於激勵RTD。此電流從AVDD產生
，流向AIN1。圖6詳細顯示了模擬引腳及其配置。

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

圖6

LTC298X

LTC298X測量各種溫度傳感器並數字輸出結果（以°C或°F為單位），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）或自定義熱電偶的溫度，自動補償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個可重新配置的模擬輸入，支持許多傳感器連接和配置選項。LTC298X包括適用於每種溫度傳感器的激勵電流源和故障檢測電路。

LTC298X可直接與接地參考傳感器接口，無需電平轉換器、負電源電壓或外部放大器。所有信號通過由內部 10ppm/°C（最大值）基準電壓源驅動的三個高精度、24位 ΔΣ ADC 進行緩衝和同步數字化。

圖7

AD7124 or LTC298X

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

通道：冷端補償以4線RTD為例，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，世健可以提供專業、精確、靈活的ADI熱電偶測量產品和方案，以及係統級采樣方案
，給設計者帶來便捷！

（來源：電子創新網）

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