深入淺出常用元器件系列——熱電偶

　　溫差熱電偶(簡稱熱電偶)是目前溫度測量中使用最普遍的傳感器之一，它具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小、輸出信號為電壓信號不需要激勵等優(yōu)點(diǎn)，能夠用于流體、固體、固體壁面等各種不同測試測量場合。

　　熱電偶測溫原理

　　當(dāng)導(dǎo)電物質(zhì)處于溫度時，其電子或空穴會隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動，由此產(chǎn)生的電荷堆積的現(xiàn)象稱作熱電效應(yīng)，因熱電效應(yīng)產(chǎn)生的電動勢稱為熱電動勢。

　　如果采用兩種電子密度同的導(dǎo)體連接成閉合回路，如果兩端所處的溫度不同，在該回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，如下圖所示。

　　在熱電偶回路中接入第三種導(dǎo)體，只要該導(dǎo)體兩端的溫度相同，則整個熱電偶回路中產(chǎn)生的總的熱電勢是不變的，這種現(xiàn)象稱為中間導(dǎo)體效應(yīng)，可以通過簡單的推導(dǎo)得到。

　　由此，我們得到了實(shí)際使用的熱電偶原型如下圖所示，采用兩種不同金屬相連構(gòu)成測溫點(diǎn)(通常稱為“熱端”)，另一端分別接銅線引到信號調(diào)理電路，熱電偶金屬和銅走線之間的兩個接合點(diǎn)溫度相同，為參考點(diǎn)(通常稱為“冷端”)。

　　在參考點(diǎn)和產(chǎn)生的電壓取決于測量點(diǎn)和參考點(diǎn)兩處的溫度，由前面所講的熱電偶測量原理可以知道，在使用過程中需要知道參考點(diǎn)的溫度才能獲得測量點(diǎn)的準(zhǔn)確溫度讀數(shù)。

　　熱電偶的特點(diǎn)

　　1.優(yōu)點(diǎn)
　　♦ 溫度范圍廣，熱電偶測溫電路采用不同類型的熱電偶，測量范圍可達(dá)-200 到+2500 ，適用于大多數(shù)實(shí)際的溫度范圍。
　　♦ 堅(jiān)固耐用，熱電偶屬于耐用器件，抗振動沖擊性能好，適用于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境。
　　♦ 響應(yīng)快，因?yàn)闊犭娕俭w積小，熱容量小，熱電偶對溫度的響應(yīng)速度很快，尤其是在熱點(diǎn)裸露的情況下。熱電偶可在數(shù)百毫秒內(nèi)對溫度變化作出響應(yīng)。
　　♦ 無自身發(fā)熱，由于熱電偶不需要激勵電源，不會自發(fā)熱，不會因自發(fā)熱而造成測量誤差。

　　2.缺點(diǎn)
　　♦ 信號調(diào)理電路復(fù)雜，將熱電偶的直接輸出電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)，必須進(jìn)行大量的信號調(diào)理。一量處理不當(dāng)，就會引入誤差，導(dǎo)致測量精度下降。
　　♦ 精度低，除了由于構(gòu)成熱電偶的金屬本身特性導(dǎo)致的熱電偶內(nèi)部固有不確定性外，熱電偶測量精度還依賴于冷端溫度的測量精度，因此熱電偶的測量精度一般在1 到2 。
　　♦ 抗噪性能差，由于熱電偶直接輸出電壓信號量級較小，當(dāng)測量環(huán)境周圍存在雜散電場或磁場時，可能會引起問題，根據(jù)使用環(huán)境的要求，可能需要采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。
　　♦ 易受腐蝕，因?yàn)闊犭娕加蓛煞N不同的金屬構(gòu)成，在某些工況下，長時間使用造成腐蝕，所以根據(jù)使用條件的不同，可能需要保護(hù)措施。

　　3.電路設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

　　♦ 電壓信號太弱，最常見的熱電偶類型有J型，K型，T型，在室溫下其靈敏度分別分，這種微弱的信號在送入ADC之前需要進(jìn)行較高增益的信號放大(通常需要100倍左右)。同時，由于信號如此微弱，為避免被噪聲淹沒，通常采用低通濾波和差分輸入放大的放大器來對信號進(jìn)行處理。
　　♦ 參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償，要得到測量端的絕對溫度讀數(shù)，需要對冷端溫度進(jìn)行測量。冷端溫度測量一般使用另外一種能夠輸出絕對溫度的傳感器，如熱電阻、熱敏電阻、集成測溫IC等，以冷端測溫結(jié)果來對熱電偶的測溫結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)償。
　　♦ 非線性校正，熱電偶的輸出結(jié)果在非線性非常嚴(yán)重，在不同溫度下靈敏度有很大差異，如下圖為三種典型熱電偶的溫度特性曲線，在實(shí)際使用中需要對輸出結(jié)果進(jìn)行非線性校正。常用的非線性校正的方法有：模擬電路補(bǔ)償、分段線性化、查表、高階擬合等。