热电偶冷端补偿

摘要：温度测量应用中，热电偶因其坚固性、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本应用笔记讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端(冷端)的定义和功能。本文还给出了按照具体应用选择冷端温度测量器件的注意事项，并给出了三个设计范例。 

概述

温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等领域。与RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首要选择。

当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。

如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。

热电偶基础

热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。

表1. 常用的热电偶类型

类型	正端金属/合金	负端金属/合金	温度范围(°C)
T	铜	镍铜合金	-200至+350
J	铁	镍铜合金	0至+750
K	镍铬合金	镍基热电偶合金	-200至+1250
E	镍铬合金	镍铜合金	-200至+900

两种不同类型的金属接(焊接)在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。Seebeck效应相对于Peltier效应，Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致冷器。图1a所示，测量电压V_OUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因为V_H和V_C是由两个结的温度差产生的，V_OUT也是温差的函数。定标因数，α，对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。


图1a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生，是Seebeck效应的结果。


图1b. 常见的热电偶配置由两条线连接在一端，每条线的开路端与铜恒温线连接。 

图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的节点。本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。V_OUT仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。

冷端温度为0°C (冰点)时是一种最简单的情况，如果T_C = 0°C，则V_OUT = V_H。这种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。所有数据均基于0°C冷端温度。利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的V_H可以确定热端温度。

在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是0°C，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。

选择冷端温度测量器件

如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。

对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高精度，但其成本很高。

精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度传感器IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。

总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，以便得到最佳的性价比。

考虑因素

一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用NBS提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。

软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。

出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修正逼近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。

应用电路

下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温度范围较窄(0°C至+70°C和-40°C至+85°C)的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。第二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。所有三个电路均采用K型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。

示例#1
图2所示电路中，16位Σ-Δ ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。集成可编程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。温度检测IC靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。这种方法假设IC温度近似等于冷端温度。冷端温度传感器输出由ADC的通道2进行数字转换。温度传感器内部的2.56V基准节省了一个外部电压基准IC。 


图2. 本地温度检测IC (MAX6610)确定冷端温度。温度检测IC靠近热电偶接点(冷端)放置，热电偶和冷端温度传感器输出电压由16位ADC (MX7705)转换。 

工作在双极性模式时，ADC可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道1输出。ADC的通道2将MAX6610的单端输出电压转换成数字信号，提供给微控制器。温度检测IC的输出电压与冷端温度成正比。

为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。然后通过NBS提供的K型热电偶查找表将冷端温度转换成对应的热电电压。将此电压与经过PGA增益校准的热电偶读数相加，最后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。实际测量结果在很大程度上取决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。

表2. 图2电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度

	冷端 温度 (°C)	热端测量 温度* (°C)
测量值#1	-39.9	+101.4
测量值#2	0.0	+101.5
测量值#3	+25.2	+100.2
测量值#4	+85.0	+99.0

* "热端测量温度"是经过补偿的数值，由电路测量得到。

示例#2
图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度，与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。晶体管直接安装在热电偶接头处。温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输出。

ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出，通道2没有使用，输入直接接地。外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。


图3. 远端二极管温度检测IC不必靠近冷端，因为它使用了一个外部二极管检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。

表3列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°C至+85°C，热端保持在+100°C。实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。

表3. 图3电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度

	冷端 温度 (°C)	热端测量 温度* (°C)
测量值#1	-39.8	+99.1
测量值#2	-0.3	+98.4
测量值#3	+25.0	+99.7
测量值#4	+85.1	+101.5

* "热端测量温度"是经过补偿的数值，由电路测量得到。 

示例#3
图4电路中的12位ADC带有温度检测二极管，温度检测二极管将环境温度转换成电压量，IC通过处理热电偶电压和二极管的检测电压，计算出补偿后的热端温度。数字输出是对热电偶测试温度进行补偿后的结果，在0°C至+700°C温度范围内，器件温度误差保持在±9 LSB以内。虽然该器件的测温范围较宽，但它不能测量0°C以下的温度。


图4. 集成了冷端补偿的ADC，将热电偶电压转换为温度，无需外部元件。 

表4是4所示电路的测量结果，冷端温度变化范围：0°C至+70°C，热端温度保持在+100°C。

表4. 图4电路在不同烤箱的冷端和热端测量温度

	冷端 温度 (°C)	热端测量 温度* (°C)
测量值#1	0.0	+100.25
测量值#2	+25.2	+100.25
测量值#3	+50.1	+101.0
测量值#4	+70.0	+101.25

* "热端测量温度"是经过补偿的数值，由电路测量得到。

结论

由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。热电偶所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度，即可确定出热端的实际温度值。

冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关，铂RTD精度最高，但成本也最高。电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围，但其线性度较差。硅温度传感器检测IC工作温度范围较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，能够满足多数热电偶应用的需求。