自20世紀初期以來，熱電偶就被廣泛應用於關鍵的溫度測量，特別是極高溫領域。對於許多工業和過程關鍵應用
，T/C和RTD(電阻溫度檢測器)已經成為溫度測量的“黃金標準”。盡管RTD具有更好的精度和可重複性

，但相對而言，熱電偶具有如下優勢：



raner，liyongredianoujinxinggaojingduwenduceliangkenengbijiaofuza。ninkeyitongguojianshidedianlushejihexiaozhunlaiyouhuaceliangjingdu，danlijieredianougongzuoyuanliyouzhuyushejidianluhuoshiyongwenduji。

熱電偶工作原理

向一段金屬絲施加一個電壓源時
，電流從正端流向負端，金屬絲發熱
，造成一部分能量損耗。托馬斯·塞貝克在1821年發現的塞貝克效應則是一種反向現象：向一段金屬絲應用某種溫度梯度時，會產生一個電勢。這就是熱電偶的物理基礎。

     (式1)

式中，?V為電壓梯度
，?T為溫度梯度，S(T)為wei塞sai貝bei克ke係xi數shu。塞sai貝bei克ke係xi數shu與yu材cai料liao相xiang關guan
，並bing且qie也ye是shi溫wen度du的de函han數shu。一yi段duan金jin屬shu絲si上shang兩liang個ge不bu同tong溫wen度du點dian之zhi間jian的de電dian壓ya等deng於yu塞sai貝bei克ke係xi數shu函han數shu在zai溫wen度du上shang的de積ji分fen。

     (式2)

例如，圖1中的T1、T2和T3表示一段金屬絲上不同位置點的溫度。T1 (藍色)表示最低溫度點
，T3(紅色)表示最高溫度點。T2和T1之間的電壓為：

     (式3)

類似地，T3和T1之間的電壓為：

     (式4)

根據積分的可加性，V31也等於：

     (式5)

我們在討論熱電偶的電壓與溫度轉換時
，要牢記這一點。


熱電偶由兩種不同的金屬組成，金屬絲的塞貝克係數S(T)一般不同。既然一種金屬上的溫度差即可產生電壓差
，為什麼必須使用兩種金屬呢？假設圖2中的金屬絲是由材料“A”製成的。如果一塊電壓表的探頭也是由材料A製成的
，理論上說，電壓表將檢測不到任何電壓。


原因是當探頭連接到金屬絲末端時，相當於將金屬絲延長了。長金屬絲的兩個末端連接到電壓表的輸入，具有相同的溫度(TM)。如果金屬絲兩個末端的溫度相同，則不會產生電壓。 為了在數學上證明這一點，我們計算從電壓表正端到負端的整個金屬環上累積的電壓。

     (式6)

根據積分的可加性，上式變為：

     (式7)

當積分的下邊界和上邊界相同時
，積分的結果為V=0。 如果探頭材料為B
，如圖3所示，那麼：

    (式8)

將上式簡化，我們得到：

    (式9)

式9表明
，測量電壓等於兩種材料的塞貝克係數函數之差的積分。這就是熱電偶使用兩種異金屬的原因。




根據圖3中的電路和式9，假設SA(T)
、SB(T)以及被測電壓已知
，我們仍然不能計算得到熱端的溫度(TH)
，除非我們已知冷端的溫度(TC)。在熱電偶的早期階段，使用溫度為0°C的冰點爐作為參考溫度(術語“冷端”由此而來)，因為這種方法的成本低、容易實現，並且能夠自我調節溫度。等效電路如見圖4所示。

盡管我們知道圖4所示電路的參考溫度，但通過積分來得到TH不太切合實際。於是出現了支持常見熱電偶類型的標準參考表
，通過查表即可得到相應電壓輸出的對應溫度。但是

，必須牢記一點：所有標準熱電偶參考表都是以0°C作為參考點繪製的。

熱電偶係統

現代熱電偶由一端(TH)連接在一起的兩根不同的金屬絲組成。在金屬絲對的開路端測量電壓。根據圖5所示的等效電路，VC與上圖3中的公式9相同。

     (式10)


冷端補償

冷端補償冷端(TC)溫度可設定為冰點爐的0°C，但在實際應用中，我們不使用冰水桶作為參考溫度。利用CJC (冷端補償)方法
，可在不使用0°C冷端溫度的情況下計算得到熱端溫度。甚至冷端溫度不一定是恒定的。該方法僅僅使用一個獨立的溫度傳感器來測量TC點的溫度。如果已知TC，就能得到TH。

如ru果guo我wo們men使shi用yong溫wen度du傳chuan感gan器qi測ce量liang冷leng端duan溫wen度du
，那na麼me為wei什shen麼me不bu使shi用yong這zhe個ge傳chuan感gan器qi直zhi接jie測ce量liang熱re端duan的de溫wen度du呢ne？您nin可ke以yi看kan到dao，冷leng端duan溫wen度du範fan圍wei比bi熱re端duan溫wen度du範fan圍wei窄zhai得de多duo，所suo以yi溫wen度du傳chuan感gan器qi不bu需xu要yao支zhi持chi熱re電dian偶ou支zhi持chi的de極ji端duan溫wen度du。

利用CJC計算熱端溫度

如上所述，所有標準熱電偶參考表都是在冷端為0°C時得到的。那麼如何利用參考表得到熱端溫度呢
？試想一下，將以上熱電偶的開路端延長，假想端點連接至溫度為0°C的結點(圖6)。如果我們能夠計算得到V0值
，利用參考表就很容易得到對應的熱端溫度。


確定V0

     (式11)

重新整理上式：

     (式12)

     (式13)

     (式14)

式13的第一項與式10 (由圖5得到)完全相同。等效電壓輸出為VC，為已知值，因為冷端的溫度是由電壓表測得的。第二項等效於熱電偶在熱端溫度等於TC
、冷端溫度等於0°C時的輸出。 由於TC也是由獨立的溫度傳感器測得的，我們可使用標準參考表查找得到式13中第二項的對應塞貝克電壓(Vi)：

     (式15)

利用該V0值


，即可通過標準參考表確定TH時的對應溫度。

利用冷端補償計算熱端溫度的過程分為以下幾步：



標準熱電偶參考表可參見NIST ITS-90熱電偶數據庫。如果因為內存或其它原因無法在微控製器中實現查找表，NIST ITS-90網站也針對每種熱電偶類型提供了一組公式，可用於溫度和電壓之間的相互轉換。

係統設計要點

至此
，以上討論僅限於熱電偶的理論知識。為優化實際係統的精度，有幾個事項需要注意。基本熱電偶信號鏈(圖7)中的每個器件都將影響轉換精度，必須嚴格挑選，以將誤差降至最低。

　　

從圖7dezuocekaishi，redianoulianjiezhixitongdianlubandelianjieqi。redianoubenshenyeshichuanganqi
，yekenengshiwuchayuan。jiaochangderedianouhenrongyishiquzhouweihuanjingdediancizaosheng

；屏蔽線可有效降低噪聲。 jiexialaideyuanjianshifangdaqi

，tajuyougaoshuruzukangfeichangzhongyao，yinweifangdaqideshuruzukangheredianoudianzuxingchengyigefenyaqi。fangdaqishuruzukangyuegao
，chanshengdewuchayuexiao。

     (式16)

此外，放大器增大熱電偶輸出，熱電偶輸出通常為毫伏範圍。盡管放大器的高閉環增益同時放大信號和噪聲，但在ADC輸入上增加低通濾波器可消除大部分噪聲。因為溫度變化不會非常快，此類應用的ADC轉換率一般非常低——可能每秒隻采樣幾次，所以低通濾波器非常有效。

最後，板載溫度傳感器需要非常靠近冷端連接器(理想情況是與熱電偶絲的末端接觸，但許多情況下條件不允許)，獲得最好的冷端溫度測量結果。冷端測量中的任何誤差都將體現在熱端溫度計算中。

熱電偶電路實例及測試結果

無論設計自己的熱電偶測量電路還是采用參考設計，都需要驗證其精度。以下介紹MAXREFDES67#參考設計(圖8)的精度驗證。


為了舉例說明如何最大程度減小測量誤差，我們首先以熱電偶係統為例，例如Maxim的MAXREFDES67cankaosheji。weileyanzhenggaiceliangxitonghuorenheceliangxitongdewucha
，xuyaoyigeyizhiwenduhezhidexinlaideyibiao

，yongyubijiao。benlizhong，womenshiyongsangecankaowenduji：Omega HH41測溫儀(現在被HH42取代)、ETI參考溫度計和Fluke 724溫度校準器。 連接到MAXREFDES67#的K型熱電偶置於Fluke 7341校準爐中
，並在20°C下進行校準。藍點數據以Omega HH41作為參考

，綠點數據使用ETI設備為參考。紅點數據顯示的最大誤差小於0.1°C，基於Fluke 724校準器，但與之前測試不同的是，Fluke 724未用作參考儀器。模擬理想K型熱電偶輸出，並將MAXREFDES67#的輸入與熱電偶延長線相連。圖9所示為測試結果。




總結

熱電偶在工業溫度測量應用領域具有諸多優勢，包括溫度範圍、響應時間、成本和耐久性。熱電偶理論略微有些複雜，但我們必須完全理解
，從而能夠進行正確測量以及從電壓到溫度的高精度轉換。MAXREFDES67#參考設計采用MAX11254和MAX6126這兩款芯片，特別適合於熱電偶測溫這種噪聲敏感的小信號，高精度的測量應用。其中
，MAX11254為6通道、24位
、Δ-Σ ADC

，在實現低噪聲高精度的同時降低了10倍功耗；MAX6126是一款超低噪聲、超高精度、低壓差的串聯型電壓基準，溫度係數為3ppm/°C (最大)，具有出色的±0.02% (最大)初始精度。




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