一个数学家，一个物理学家和一个工程师正在共进午餐。酒保问这三位先生，“我听到的关于这个PI的什么事？”

 

        数学家回答说：“ pi是圆的周长与其直径之比。”

 

        物理学家回答：“ pi是3.14159265359。”

 

        工程师抬起头，直截了当地说：“哦，pi大约是三，”然后迅速回到餐巾背面的涂鸦上。

 

        关键不是工程师马虎，粗心或缺乏社交能力。关键是我们非常务实。我们是非理想世界中问题的解决者。这意味着我们必须能够将概念应用于实际问题，并且知道何时某些影响在我们的应用中可以忽略不计。

 

        例如，在设计一阶或二阶滤波器时，考虑到价格合理的元件的容差和温度依赖性，3通常对于pi足够接近。

 

        但是，在我们开始进行粗略的近似之前，我们必须了解我们正在设计的系统所涉及的物理原理。在没有完全了解所涉及问题的情况下，似乎近似地受到粗略估计的一个话题是热电偶的温度测量。

 

        热电偶是简单的温度传感器，由两条由不同合金制成的导线组成。这些设备结构简单且易于使用。但是，就像任何电子组件一样，它们需要一定数量的解释。本文的目的是介绍和解释如何使用热电偶以及如何设计热电偶接口。

 

两种金属的尾巴

 

        图1a显示了一个热电偶。一个结被称为热结。另一个结点被指定为冷结点或参考结点。环路中产生的电流与热结点和冷结点之间的温差成正比。热电偶测量的是温度差异，而不是绝对温度。

 

        要了解为什么形成电流，我们必须回到物理学。不幸的是，我不是物理学家，所以这种解释可能会歪曲一个或两个概念，但是我还是继续。

 

        考虑一根均匀的金属线。如果在一端施加热量，那一端的电子将变得更有能量。它们吸收能量并从其正常的能量状态转移到更高的能量状态。有些将完全从其原子中解放出来。这些新释放的高能电子移向导线的冷端。随着这些电子加快导线速度，它们将能量转移到其他原子上。这就是能量（热量）从电线的热端传递到冷端的方式。

 

        当这些电子在导线的冷端聚集时，它们会受到静电排斥。在冷端的非高能电子向导线的热端移动，这就是在导体中保持电荷中性的方式。

 

        从冷端向热端移动的电子的移动速度比从热端向冷端移动的高能电子移动的速度慢。但是，在宏观层面上，电荷平衡得以维持。

 

        如图1a所示，当使用两种不同的金属形成热电偶回路时，当在两个结之间建立温差时，两种金属对电子的亲和力差异将使电流产生。

 

        当电子从冷端移动到热端时，这些能量不太高的电子在一种金属中的移动比另一种容易。从热端移动到冷端的电子已经吸收了很多能量，并且在两条导线中都可以自由移动。这就是在回路中产生电流的原因。

 

        我可能错过了一些物理方面的细节，但我想我成为了亮点。如果任何人都可以提供更深入或更详细的解释，请给我发送电子邮件。为技术读者写作的非常好的事情之一就是向我的读者学习。

 

打破循环

 

        如果使用热电偶，则必须在环路中插入一个测量设备，以获取有关热结点和冷结点之间的温差的信息。图1b显示了典型设置。将热电偶线接到接线盒，电路测量开路电压。

        当将热电偶导线连接到端子块时，会形成另外一对热电偶（每个螺钉端子一个）。如果螺钉端子的端子合金与热电偶线不同，则为真。图1c示出了图1b的替代表示。结点2和结点3是连接到测量电路的不良工件。这两个结通常称为寄生热电偶。

        在物理电路中，寄生热电偶形成在每个焊点，连接器，甚至每个内部IC键合线上。如果不是所谓的“中间金属定律”，这些寄生结将给我们带来无尽的麻烦。

 

        中间金属法则规定，只有在与第三种金属的连接处保持等温（在相同温度下）的情况下，才能将第三种金属插入热电偶系统而不影响系统。

 

        在图1c中，如果结2和结3处于相同温度，则它们将不会影响环路中的电流。图1b中的电压表看到的电压将与1号结与2号和3号结之间的温度差成正比。

 

        结1是热结。有效地将等温接线盒从电路中移除，因此冷端的温度就是接线盒的温度。

 

测量温度

 

        热电偶产生的电压（或环路电流）与热结和参考结之间的温差成正比。如果要知道热结的绝对温度，则必须知道参考结的绝对温度。

 

        有三种方法可以找出参考结的温度。非常简单的方法是使用热敏电阻或半导体温度传感器（例如ADI公司的TMP03 / 04）测量参考结点的温度。然后，在软件中，将测得的热电偶温度（热结和参考结之间的差）加到参考结的测量温度。该计算将得出热结的绝对温度。

 

        第二种方法涉及将参考结保持在固定的已知温度下。冰浴或冰泥是实验室设置中非常常用的方法之一。图2显示了这是如何完成的。

        或者，我们可以省略金属A的辫子，而只需将接线板浸入冰中。这可以很好地工作，但是比图2所示的方法更混乱。

 

        有时，允许图1c中冷端（接线盒）的温度浮动到环境温度。然后，假定环境温度为“约25°C”或其他“足够接近”的温度。通常在知道热结点温度不是很关键的系统中找到这种方法。

 

        降低冷端温度的第三种方法是使用冷端补偿IC，例如Analog Devices AD594或Linear Technology LT1025。这种方法将前两种方法结合在一起。

 

        这些IC中有一个温度传感器，用于检测冷端的温度。大概与安装IC的电路板的温度相同。然后，IC产生的电压与热电偶产生的电压成比例，热电偶的热结点处于环境温度，冷结点为0°C。该电压被加到由热电偶产生的EMF上。非常终效果与将冷端物理保持在0°C时的效果相同。

 

        知道（或近似）冷端温度并在整体测量中考虑此信息的行为称为冷端补偿。我讨论的三种技术都是冷端补偿的每种方法。

 

        冰浴可能是非常准确的方法。泥泞的冰可以很容易地保持约0.1°C的均匀度。我读过，冰浴可以保持0.01°C的均匀度，但是我从来没有达到那种均匀度。冰浴在物理上很笨拙，因此对于工业测量通常是不切实际的。

 

        现成的冷端补偿IC可能很昂贵，并且通常仅精确到几摄氏度，但是许多系统都使用这些器件。

 

        使用热敏电阻，或者甚至使用二极管或BJT上的PN结来测量冷结温度，可能相当便宜且非常准确。该系统遇到的非常常见困难是校准。传感器附近或端子板上的谨慎位置很重要。

 

        如果要将接线盒用作冷端（请参见图1b），则接线盒必须保持等温。实际上，要使接线盒真正保持等温几乎是不可能的。因此，必须做出妥协。这是工程师的库存和贸易。知道什么是等温的“足够”适合您的应用是关键。

 

        如果允许接线盒的螺钉式接线端子产生明显的温度梯度，则在精密电子设备上会浪费大量金钱。当功率组件放置在接线盒附近时，通常会发生这种情况。您必须特别注意确保接线盒周围的温度稳定。

 

        有两种大类的温度测量应用程序。非常好类涉及测量绝对温度。例如，您可能想知道烤箱内部相对于标准温度标尺（例如摄氏度）的温度。这种类型的应用要求您准确知道参考结的绝对温度。

 

        第二种类型的测量涉及测量温度差。例如，在微热量计中，您可能需要测量系统的温度，然后开始一些化学反应并在反应进行时测量温度。值的信息是非常好次测量与后续测量之间的差。

 

        测量温差的系统通常更容易构建，因为不需要控制或精确测量参考结。要求在进行两次测量时，参考结保持在恒定温度下。参考结的温度是25.0°C还是30.0°C都无关紧要，因为减去连续的测量值会从计算出的答案中删除参考结温度。

 

        您可以使用热电偶进行精确的差分温度测量，但是必须确保形成冷端的接线盒与等温点“足够近”。您还必须确保冷端具有足够的热质量，这样它就不会在两次测量之间的时间内改变温度。

 

实际事项

 

        热电偶的字母名称表示制造它们的材料。该字母名称称为热电偶“类型”。表1列出了可用的常见热电偶及其可用温度范围。

        对于给定的温度条件，每种类型的热电偶都会产生不同的开路电压（塞贝克电压）。这些器件在整个温度范围内都不是线性的。有可用的标准表，这些表将塞贝克电压随温度变化列表化。[1] 还有用于热电偶的标准多项式模型。

 

        热电偶产生小的塞贝克电压。例如，当两个结点都接近室温时，K型热电偶每摄氏度产生约40 µV的电压。当两个结点都接近室温时，非常敏感的热电偶E型每摄氏度产生约60 µV。

 

        在许多应用中，所测量的温度范围足够小，以至于塞贝克电压被认为在目标范围内是线性的。这样就无需在系统中查找表或进行多项式计算。通常，绝对精度的损失可以忽略不计，但是这种折衷是设计工程师必须仔细权衡的一项。

 

电路图

 

设计热电偶接口时，您只需要了解几条信息：

 

        将使用哪种类型的热电偶

        热结点将承受的整个温度范围是多少？

        冷端将承受的整个温度范围是多少？

        您的应用所需的温度分辨率是多少

        您的系统需要电流隔离吗

        将使用哪种类型的冷端补偿

 

        如果非常后一个问题的答案需要从商用冷端补偿IC上模拟增加电压，则该IC的制造商可能会为您提供适当的参考设计。如果您打算通过物理方式（通过冰浴）或通过软件（通过使用另一台设备测量冷端的温度）来进行冷端补偿，则必须构建或购买数据采集系统。

 

        电隔离是许多工业应用中的重要功能。由于热电偶实际上只是电线的长回路，因此它们通常会吸收高水平的共模噪声。在某些应用中，热电偶可以连接到线电压（或更高）的设备上。

 

        在这种情况下，需要进行电流隔离以将高压交流电保持在数据采集系统之外。这种隔离通常通过以下两种方式之一完成：使用光隔离器或变压器。两种系统都需要热电偶信号调节器，以使其接地端相对于地面浮动。图3a和3b概述了这些方案。

        因为本文的重点是与热电偶的接口，所以我不得不将实现电隔离的细节留给另一篇文章。

 

        考虑到热电偶产生的微小电压电平，信号调理模块的设计人员应仔细关注噪声抑制。使用差分放大器的共模抑制（CMR）特性是一个很好的起点。图4显示了一个简单而有效的热电偶界面

        单片仪表放大器（仪表放大器）的价格为2至5美元（取决于等级和制造商）。这些通常是8引脚DIP或SOIC器件。仪表放大器是简单的差分放大器。增益由单个外部电阻设置。仪表放大器的输入阻抗通常为10吉欧。

 

        当然，您可以使用运算放大器甚至分立部件来构建信号调理器。但是，单片仪表放大器上的所有有源元件都在同一芯片上，并保持或多或少的等温状态。这意味着仪表放大器特性在整个温度范围内表现良好。良好的CMR，可控增益，小尺寸和高输入阻抗使仪表放大器成为热电偶调节电路的核心。

 

        温度趋于相对缓慢地变化。因此，如果您发现系统有噪音，通常可以安装辅助的低通滤波器。这些可以用硬件或软件来实现。在许多系统中，在1 s内进行128次测量然后取平均结果并不少见。数字滤波器可大大降低生产系统中的成本。

 

        设计热电偶电路时经常面临的另一个问题是使放大器失调为零。您可以通过多种方法使放大器的偏移为零[2]，但我非常喜欢的是斩波输入。图5显示了如何完成此过程。

 

        热电偶的信号电平很小，增益不常见，约为1000 V / V，这意味着运算放大器或仪表放大器的电压偏移量甚至为1 mV，输出端的偏移量也会为伏特级。 。

 

        图5中的斩波器允许微控制器反转热电偶的极性。为了使电路为零，微控制器将进行两次测量，然后将其相减。

 

        首先，设置斩波器，使ADC测量增益（Vsensor + Voffset）。其次，设置斩波器，使ADC测量增益（–Vsensor + Voffset）。

 

        将非常好个测量值减去第二个测量值，然后除以二。结果是GAIN * Vsensor。如您所见，这正是我们感兴趣的数量。仪表放大器的失调已从测量中删除。

 

关闭时间

 

        在1821年，托马斯·J·塞贝克（Thomas J. Seebeck）发现，如果加热两种异种金属的结，则会产生电压。此电压此后被称为塞贝克电压。

 

        从工业熔炉到医疗设备，热电偶广泛存在。乍一看，热电偶似乎充满神秘感。他们不是。毕竟，如何用两根电线构建一个已经使用了180年的设备，很难弄清楚呢？

 

        使用热电偶进行设计时，只要牢记这四个概念，项目就会更加顺利。首先，热电偶产生的电压与热结和参考结之间的温度差成正比。

 

        其次，由于热电偶测量相对温度差，因此如果系统要报告绝对温度，则需要冷端补偿。冷端补偿仅意味着知道冷端的绝对温度并相应地调整重新分配的温度值。

 

        要记住的第三点是，热电偶的塞贝克电压系数很小，通常约为每摄氏度数十微伏。非常后，热电偶在其整个温度范围内都是非线性的。如果需要，线性化非常好在软件中完成。

 

        有了这些概念，本文中的电路以及一些时间，您应该可以在下一个项目中设计一个热电偶。

 

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