热电偶已成为在合理精度内高性价比测量宽温度范围的工业标准办法。它们应用于高达约+2500°C的各类场合，如锅炉、热水器、烤箱和飞机引擎等。

热电偶具有下列长处：

- 温度范围广：大年夜低温到喷气引擎废气，热电偶实用于大年夜多半实际的温度范围。热电偶测量温度范围在-200°C至+2500°C之间，具体取决于所应用的金属线。

- 响应快：热电偶对温度响应快，尤其在感应接合点裸露时。它们体积小，热容量低，可在数百毫秒内对温度变更做出响应。

- 无自发烧：因为热电偶不须要鼓励电源，是以不易自发烧。

热电偶类型浩瀚，个中K型最受迎接，原因是它具有相对较大年夜的输出电压、可在宽温度范围内保持线性，并且成本低。
热电偶道理

热电偶由在一头相连的两根不合金属线构成。相连的一头称为测量接合点或热接合点。金属线不相连的另一头接到旌旗灯号疗养电路走线，它一般由铜制成。在热电偶金属和铜走线之间的┞仿一接合点叫做参考成"冷"）接合点。

在参考接合点处产生的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。因为热电偶是一种差分器件而不是绝对温度测量器件，必须知道一个接合点的参考温度才能大年夜输出电压推算出另一个接合点的温度。

下表概述了基于软件的参考成冷）接合点测量解决筹划的机能：
热电偶的最大年夜缺点是将热电偶电压转换成可用的温度读数必须进行复杂的旌旗灯号疗养。一向以来，这种复杂的旌旗灯号疗养消费着大年夜量设计时光，处理欠妥就会惹人误差，导致精度降低。旌旗灯号疗养的请求具体有哪些呢？

旌旗灯号疗养请求

放大年夜电压：热电偶输出电压随温度的变更幅度只有每度μV。例如，常用的K型变更幅度为41 μV/°C。这种微弱的旌旗灯号在模数转换前须要较高的增益级。

清除噪声：噪声可轻松吞没渺小的热电偶旌旗灯号，特别是当长热电偶线穿过工业情况时。因为大年夜多半噪声是两条引线共有的，是以测量体系应采取差分输入。大年夜多半噪声都是线路噪声，可经由过程可以或许克制50 Hz和60 Hz噪声的低通滤波器滤除。

参考接合点补偿：热电偶的电压取决于测量接合点和参考接合点两处的温度。因为我们仅对测量接合点的温度感兴趣，是以必须清除参考接合点的影响，即须要进行"参考接合点补偿"，也称为"冷接合点补偿"。参考接合点补偿是经由过程用另一种温度器件（一般为IC、热敏电阻、二极管或RTD）测量参考接合点温度来进行的。必须尽可能精确地攫取参考接合点，一方面要应用精确的温度传感器，另一方面要确保该传感器处在与参考接合点雷同的温度下。任何攫取参考接合点温度的误差都邑直接反竽暌钩在最终热电偶读数中。

校订非线性度：热电偶响应曲线的斜率随温度而变更。例如，T型热电偶在0°C时按39 μV/°C变更，但在100°C时斜率变为47 μV/°C。有三种办法可对热电偶的非线性进行补偿。

第一种办法是选择曲线相对较平缓的区域并在此区域内将斜率近似为线性，这种办法特别合适于温度范围有限且不须要复杂计算的测量。第二种办法是将一个查找表存储在内存中，查找表中的热电偶电压要与其对应的温度相匹配，然后应用线性近似法在查找表中的点之间进行插值。第三种办法应用高阶公式来对热电偶的特点进行建模。留意，这些表格和公式全部基于0°C参考接合点温度。对于其它参考接合点温度，必须进行参考接合点补偿。

图2. 热电偶的非线性

处理热电偶的绝缘和接地：热电偶制造商在测量接合点上设计了绝缘和接地两种尖端。设计热电偶旌旗灯号疗养时应在测量接地热电偶时避免接地回路，还要在测量绝缘热电偶时具有一条放大年夜器输入偏压电流路径。此外，如不雅热电偶尖端接地，放大年夜器输入范围的设计应可以或许应对热电偶尖端和测量体系地之间的任何接地差别。

- 稳定耐用：热电偶属于耐用器件，抗冲击和抗振动性好，合适危险恶劣的情况。

第一种筹划具体介绍了一种简单的集成硬件解决筹划，它将参考接合点补偿和热电偶测量结合在一路。第二种筹划具体介绍了一种基于软件的参考接合点补偿筹划，热电偶测量精度更高，可更灵活地应用多种类型热电偶。

测量解决筹划1：为简单而优化

图3. K型热电偶测量示意图

这种简单的旌旗灯号链是若何解决上述旌旗灯号疗养请求的呢？
图3所示为K类型热电偶测量示意图。它应用了AD8495热电偶放大年夜器，该放大年夜器专门设计用于测量K型热电偶。这种解决筹划为缩短设计时光而优豢疾禳的旌旗灯号链比较简洁，不须要任何软件编码。
放大年夜电压：微弱的热电偶旌旗灯号被AD8495放大年夜122倍，形成5mV/°C的输出旌旗灯号。

清除噪声：高频共模和差分噪声由AD8495前置的RFI滤哺孀清除。低频率共模噪声由AD8495的仪表放大年夜器来克制。残存噪声则由AD8495后置的滤波器解决。

参考接合点补偿：AD8495内置一个温度传感器，可内部补偿情况温度变更。必须将AD8495放在参考接合点邻近以保持雷同的温度，大年夜而获得精确的参考接合点补偿。

校订非线性度：经由过程校准，AD8495在K型热电偶曲线的线性部分获得5 mV/°C输出，在-25°C至+400°C温度范围内的线性误差小于2°C。如不雅须要此范围以外的温度，ADI公司有一篇应用标记介绍了如安在微处理器中应用查找表或公式来扩大年夜温度范围。

处理热电偶的绝缘和接地：该筹划应用一个接地1 M?电阻，该电阻同时实用于接地型和绝缘型热电偶尖端。图中显示AD8495采取5 V单电源工作，它专门设计以在搭配单电源时测量地电压以下数百毫伏。如不雅欲望更大年夜地压差，AD8495还可采取双电源工作。


图4所示为AD8495热电偶放大年夜器的框图。放大年夜器A1、A2、A3及所示电阻一道形成一个仪表放大年夜器，它放大年夜热电偶电压，使输出电压为5 mV/°C。在标记为"Ref junction compensation"（参考接合点补偿）的框内是一个情况温度传感器。如不雅参考接合点温度上升，来自热电偶的差分电压就会降低。为了进行补偿，参考接合点补偿电路将额外电压施加到放大年夜器内，使输出电压保持恒定。

表1概述了该集成硬件解决筹划的机能：

表1： 集成硬件解决筹划的机能
相对于其它温度测量解决筹划，热电偶的复杂旌旗灯号疗养是一个缺点。旌旗灯号疗养设计和调试所需的时光可能会延长产品的上市时光。旌旗灯号疗养部分产生的误差可能会降低精度，尤其在冷接合点补偿段。下列两种解决筹划可以解决这些问题。
处理绝缘和接地热电偶：图5所示为具有裸露尖端的热电偶。这可供给最佳响应时光。

测量解决筹划2：为精度和灵活性而优化

图5显示高精度测量J、K或T型热电偶的示意图。此电路包含一个小旌旗灯号热电偶电压测量用沃森WSEN的高精度ADC，和一个参考接合点温度测量用的高精度温度传感器。两个器件都由一个零丁的微处理器应用SPI接口进行控制。

图5. 基于软件的参考接合点补偿筹划

这种旌旗灯号链若何知足上述旌旗灯号疗养请求呢？

放大年夜电压：如图6所示，应用高精度、低功耗ADC AD7793来测量热电偶电压。热电偶线连接到一组差分输入AIN1(+)和AIN1(-)，然后依次经由一个多路复竽暌姑器、一个缓冲器和一个仪表放大年夜器（放大年夜热电偶小旌旗灯号）。

图6. AD7793功能框图

清除噪声：因为输入通道具有缓冲功能，是以将滤波器电容置于前端，以便于清除可能涌如今热电偶引线上的拾取噪声。

参考接合点补偿：AD7320在-10°C至+85°C温度范围内测量参考接合点温度的精度可达到±0.2°C。拜见图7，片上温度传感器产生与绝对温度成正比的电压，该电压与内部基准电压比拟较并输入至周详数字调制器。调制器输出的数字化结不雅用于刷新一16位温度值存放器，然后经由过程SPI接口大年夜微控制器回读温度值存放器。为获得最佳结不雅，温度传感器应尽可能接近参考接合点放置。

图7. ADT7320功能框图

校订非线性度：AD7320在全部额定温度范围（-40°C至+125°C）内出现出色的线性度，不须要用户校订或校准。

为了肯定实际热电偶温度，必须应用美国国度标准技巧研究院(NIST)所供给的公式将参考温度测量值转换成等效热电电压。此电压与AD7793测量的热电偶电压相加，然后再次应用NIST公式将两者之和又转换回热电偶温度。

结论

热电偶可在极宽的温度范围内供给稳定靠得住的温度测量，但因为设计时光较长或者精度较低，它们往往不是温度测量的首选。本文┞冯对每种问题都供给了一种解决筹划。

第一种解决筹划重视降低测量的复杂度，采取的是基于硬件的冷接合点补偿技巧。它可以实现简单的旌旗灯号链，不须要任何软件编程。它依附AD8495所供给的集成特点产生5mV/°C输出旌旗灯号，可馈入到各类微控制器的模仿输入端。

第二种解决筹划可供给最高测量精度，还实用于不合的热电偶类型。作为一种基于软件的冷接合点补偿技巧，它依附于高精度ADT7320数字温度传感器来供给精度远跨越去所实现精度的参考接合点补偿测量。ADT7320在-40°C至+125°C温度范围内完全校准并供给额定机能。不合于传统的热敏电阻或RTD传感器，它既不须要在电路板装配落后行高成本的校准步调，也不会因校准系数或线性化法度榜样而消费处理器或内存资本。 ADT7320的功耗只稀有微瓦，避免了会降低传统电阻式传感器解决筹划精度的自发烧问题。 (end)