熱電偶測(cè)量溫度原理

1、1、2兩點(diǎn)的溫度不同時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢(shì)，因而 就有電流產(chǎn)生，電流表就會(huì) 發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象稱(chēng)為熱 電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)），產(chǎn) 生的電勢(shì)、電流分別叫熱電 勢(shì)、熱電流。熱電偶溫度計(jì)屬于接觸式溫度測(cè)量?jī)x表。是根據(jù)熱電效應(yīng)即塞貝克效應(yīng)原理來(lái)測(cè)量溫度的，是溫度測(cè)量?jī)x表中常用的測(cè)溫元件。將不同材料的導(dǎo)體A、B接成閉合回路,接觸測(cè)溫點(diǎn)的一端稱(chēng)測(cè)量端,一端稱(chēng)參比端。若測(cè)量端和參比端所處溫度t和t0 不同,則在回路的A、B之間就產(chǎn)生一熱電勢(shì)EAB(t，t0 ),這種現(xiàn)象稱(chēng)為塞貝克效應(yīng)，即熱電效應(yīng)。EAB大小隨導(dǎo)體A、B的材料和兩端溫度t和t0 而變,這種回路稱(chēng)為原型熱電偶。在實(shí)際應(yīng)用中，將A、B的一端焊接在

2、一起作為熱電偶的測(cè)量端放到被測(cè)溫度t處，而將參比端分開(kāi)，用導(dǎo)線(xiàn)接入顯示儀表，并保持參比端接點(diǎn)溫度t0穩(wěn)定。顯示儀表所測(cè)電勢(shì)只隨被測(cè)溫度而t變化。第一節(jié)熱電偶的測(cè)溫原理在1821年德國(guó)醫(yī)生塞貝克在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熱電效應(yīng)以來(lái)，經(jīng)珀?duì)柼?、湯姆遜以及開(kāi)爾文等科學(xué)家的大量研究，熱電效應(yīng)理論得到了不斷的發(fā)展，并日趨完善。熱電偶是熱電效應(yīng)的具體應(yīng)用之一，它在溫度測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用，熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、使用方便和測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诳焖贉y(cè)溫、點(diǎn)溫測(cè)量和表面測(cè)量等，但是熱電偶也存在著不足的地方，如使用的參考端溫度必須恒定，否則將歪曲測(cè)量結(jié)果；在高溫或長(zhǎng)期使用中，因受被測(cè)介質(zhì)或氣氛的作用（如氧化、還

3、原等）而發(fā)生劣化，降低使用壽命。盡管如此，熱電偶仍在工業(yè)生產(chǎn)和科研活動(dòng)中起著舉足輕重的作用。下面我們從三個(gè)熱電效應(yīng)的闡述中來(lái)討論熱電偶的測(cè)溫原理。一、塞貝克效應(yīng)和塞貝克電勢(shì)熱電偶為什么能用來(lái)測(cè)量溫度呢？這就是從熱能和電能的相互轉(zhuǎn)化的熱電現(xiàn)象說(shuō)起。在1821年，塞貝克通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一對(duì)異質(zhì)金屬A、B組成的閉合回路（如圖1-1）中，如果對(duì)接點(diǎn)a加熱，那么，a,b兩接點(diǎn)的溫度就會(huì)不同，溫度不同，就會(huì)有電流產(chǎn)生，使得接在電路中的電流表發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這一現(xiàn)象現(xiàn)今稱(chēng)為溫差電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)，相應(yīng)的電勢(shì)稱(chēng)為溫差熱電勢(shì)或塞貝克電勢(shì)，它在熱電偶回路中產(chǎn)生的電流稱(chēng)為熱電流。、稱(chēng)為熱電極，接點(diǎn)a是用焊接的方法連接一起的，

4、測(cè)溫時(shí)，將它置于被測(cè)溫度場(chǎng)中，稱(chēng)為測(cè)量端或者工作端，接點(diǎn)b一般要求恒定在某一溫度稱(chēng)為參考端或自由端。3熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償由于 熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴 金屬時(shí)），而測(cè)溫點(diǎn)到儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用只起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動(dòng)到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對(duì)測(cè)溫的影響，不起補(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來(lái)補(bǔ)償冷端溫度t00時(shí)對(duì)測(cè)溫的影響。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與

5、熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)時(shí)必須注意型號(hào)相配，極性不能接錯(cuò)，補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100。冷端溫度補(bǔ)償器的型號(hào)應(yīng)與熱電偶的型號(hào)相符,并在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用; 冷端溫度補(bǔ)償器與熱電偶連接時(shí)極性不能接錯(cuò); 根據(jù)補(bǔ)償器的平衡點(diǎn)溫度調(diào)整儀表起始點(diǎn),使指針批示在平衡點(diǎn)溫度; 具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的顯示儀表不安裝補(bǔ)償器;補(bǔ)償器必須定期檢查和檢定。冷端補(bǔ)償：概述 溫度測(cè)量應(yīng)用中有多種類(lèi)型的變送器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用于汽車(chē)、家庭等領(lǐng)域。與RTD、電熱調(diào)節(jié)器、溫度檢測(cè)集成電路(IC)相比，熱電偶能夠檢測(cè)更寬的溫度范圍，具有較高的性?xún)r(jià)比。另外，熱電偶的牢固、可靠性

6、和快速響應(yīng)時(shí)間使其成為各種工作環(huán)境下的首要選擇。 當(dāng)然，熱電偶在溫度測(cè)量中也存在一些缺陷，例如，線(xiàn)性特性較差。雖然它們與RTD、溫度傳感器IC相比可以測(cè)量更寬的溫度范圍，但線(xiàn)性度卻大打折扣。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可理想用于精確測(cè)量系統(tǒng)。熱電偶信號(hào)電平很低，常常需要放大或高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。 如果排除上述問(wèn)題，熱電偶的低價(jià)位、易使用、寬溫度范圍使其得到廣泛使用。熱電偶基礎(chǔ)熱電偶是差分溫度測(cè)量器件，由兩段不同的金屬/合金線(xiàn)構(gòu)成，一段用作正端，另一段用作負(fù)端。表1列出了四種最常用的熱電偶類(lèi)型、所用金屬以及對(duì)應(yīng)的溫度測(cè)量范圍。每種熱電偶在其規(guī)定的溫度范圍內(nèi)

7、具有獨(dú)特的熱電特性。 兩種不同類(lèi)型的金屬接(焊接)在一起后形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖1a所示，環(huán)路電壓是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)。這種現(xiàn)象稱(chēng)為Seebeck效應(yīng)，用于解釋熱能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。Seebeck效應(yīng)相對(duì)于Peltier效應(yīng)，Peltier效應(yīng)用于解釋電能轉(zhuǎn)換成熱能的過(guò)程，典型應(yīng)用有電熱致冷器。圖1a所示，測(cè)量電壓VOUT是檢測(cè)端(熱端)結(jié)電壓與參考端(冷端)結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數(shù)。定標(biāo)因數(shù)，對(duì)應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱(chēng)為Seebeck系數(shù)。 圖1b所示是一種最常見(jiàn)的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個(gè)額外的節(jié)點(diǎn)。本例中，每個(gè)開(kāi)路

8、端與銅線(xiàn)電氣連接，這些連線(xiàn)為系統(tǒng)增加了兩個(gè)額外節(jié)點(diǎn)，只要這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會(huì)影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒(méi)有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。VOUT仍然是熱端與冷端溫度之差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。然而，由于熱電偶測(cè)量的是溫度差，為了確定熱端的實(shí)際溫度，冷端溫度必須是已知的。冷端溫度為0C (冰點(diǎn))時(shí)是一種最簡(jiǎn)單的情況，如果TC = 0C，則VOUT = VH。這種情況下，熱端測(cè)量電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的直接轉(zhuǎn)換值。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局(NBS)提供了各種類(lèi)型熱電偶的電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的查找表。所有數(shù)據(jù)均基于0C冷端溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過(guò)查找適當(dāng)表格中的VH可以確定

9、熱端溫度。 在熱電偶應(yīng)用初期，冰點(diǎn)被當(dāng)作熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)，但在大多數(shù)應(yīng)用中獲得一個(gè)冰點(diǎn)參考溫度不太現(xiàn)實(shí)。如果冷端溫度不是0C，那么，為了確定實(shí)際熱端溫度必須已知冷端溫度?？紤]到非零冷端溫度的電壓，必需對(duì)熱電偶輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償，既所謂的冷端補(bǔ)償。選擇冷端溫度測(cè)量器件 如上所述，為了實(shí)現(xiàn)冷端補(bǔ)償，必須確定冷端溫度，這可以通過(guò)任何類(lèi)型的溫度檢測(cè)器件實(shí)現(xiàn)。在通用的溫度傳感器IC、電熱調(diào)節(jié)器和RTD中，不同類(lèi)型的器件具有不同的優(yōu)、缺點(diǎn)，需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。 對(duì)于精度要求非常高的器件，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)保持較高精度，但其成本很高。 精度要求不是很高時(shí)，熱敏電阻和硅溫度傳感器IC

10、能夠提供較高的性?xún)r(jià)比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測(cè)溫范圍，而傳感器IC具有更高的線(xiàn)性度，因而性能指標(biāo)更好一些。修正熱敏電阻的非線(xiàn)性會(huì)占用較多的微控制器資源。溫度傳感器IC具有出色的線(xiàn)性度，但測(cè)溫范圍很窄。 總之，必需根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇冷端溫度測(cè)量器件，需要仔細(xì)考慮精度、溫度范圍、成本和線(xiàn)性指標(biāo)，以便得到最佳的性?xún)r(jià)比?？紤]因素 一旦建立了冷端補(bǔ)償方法，補(bǔ)償輸出電壓必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度。一種簡(jiǎn)單的方法既是使用NBS提供的查找表，用軟件實(shí)現(xiàn)查找表需要存儲(chǔ)器，但查找表對(duì)于連續(xù)的重復(fù)查詢(xún)提供了一種快速、精確的測(cè)量方案。將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度值的另外兩種方案比查找表復(fù)雜一些，這兩種方法是：1) 利用多

11、項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性逼近，2) 對(duì)熱電偶輸出信號(hào)進(jìn)行模擬線(xiàn)性化處理。 軟件線(xiàn)性逼近只是需要預(yù)先確定多項(xiàng)式系數(shù)，不需要存儲(chǔ)，因而是一種更通用的方案。缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)時(shí)間解多階多項(xiàng)式，多項(xiàng)式階數(shù)越高，處理時(shí)間越長(zhǎng)，特別是在溫度范圍較寬的情況下。多項(xiàng)式階數(shù)較高時(shí)，查找表相對(duì)提供了一種精度更高、更有效溫度測(cè)量方案。出現(xiàn)軟件測(cè)試方案之前，模擬線(xiàn)性化常被用來(lái)將測(cè)量電壓轉(zhuǎn)換成溫度值(除了人工查找表檢索外)。這種基于硬件的方法利用模擬電路修正熱電偶響應(yīng)的非線(xiàn)性。其精度取決于修正逼近多項(xiàng)式的階數(shù)，在目前能夠測(cè)試熱電偶信號(hào)的萬(wàn)用表中仍采用這種方法。應(yīng)用電路 下面討論了三種利用硅傳感器IC進(jìn)行冷端補(bǔ)償?shù)牡湫蛻?yīng)用，三個(gè)電路

12、均用來(lái)解決溫度范圍較窄(0C至+70C和-40C至+85C)的冷端溫度補(bǔ)償，精度在幾個(gè)攝氏度以?xún)?nèi)。第二個(gè)電路包含一個(gè)遠(yuǎn)端二極管溫度檢測(cè)器，由連接成二極管的晶體管為其提供測(cè)試信號(hào)。第三個(gè)電路中的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)內(nèi)置冷端補(bǔ)償。所有三個(gè)電路均采用K型熱電偶(由鎳鉻合金和鎳基熱電偶合金組成)進(jìn)行溫度測(cè)量。示例#1圖2所示電路中，16位- ADC將低電平熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成16位串行數(shù)據(jù)輸出。集成可編程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，這對(duì)于處理熱電偶小信號(hào)輸出非常必要。溫度檢測(cè)IC靠近熱電偶安裝，用于測(cè)量冷端附近的溫度。這種方法假設(shè)IC溫度近似等于冷端溫度。冷端溫度傳感器輸出由ADC的通道2進(jìn)行數(shù)

13、字轉(zhuǎn)換。溫度傳感器內(nèi)部的2.56V基準(zhǔn)節(jié)省了一個(gè)外部電壓基準(zhǔn)IC。工作在雙極性模式時(shí)，ADC可以轉(zhuǎn)換熱電偶的正信號(hào)和負(fù)信號(hào)，并在通道1輸出。ADC的通道2將MAX6610的單端輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，提供給微控制器。溫度檢測(cè)IC的輸出電壓與冷端溫度成正比。 為了確定熱端溫度，需首先確定冷端溫度。然后通過(guò)NBS提供的K型熱電偶查找表將冷端溫度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的熱電電壓。將此電壓與經(jīng)過(guò)PGA增益校準(zhǔn)的熱電偶讀數(shù)相加，最后再通過(guò)查找表將求和結(jié)果轉(zhuǎn)換成溫度，所得結(jié)果即為熱端溫度。表2列出了溫度測(cè)量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：-40C至+85C，熱端保持在+100C。實(shí)際測(cè)量結(jié)果在很大程度上取決于本地溫度檢測(cè)IC

14、的精度和烤箱溫度。示例#2 圖3所示電路中，遠(yuǎn)端溫度檢測(cè)IC測(cè)量電路的冷端溫度，與本地溫度檢測(cè)IC不同的是IC不需要靠近冷端安裝，而是通過(guò)外部連接成二極管的晶體管測(cè)量冷端溫度。晶體管直接安裝在熱電偶接頭處。溫度檢測(cè)IC將晶體管的測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。 ADC的通道1將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出，通道2沒(méi)有使用，輸入直接接地。外部2.5V基準(zhǔn)IC為ADC提供基準(zhǔn)電壓。表3列出了溫度測(cè)量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：-40C至+85C，熱端保持在+100C。實(shí)際測(cè)量結(jié)果在很大程度上取決于遠(yuǎn)端二極管溫度檢測(cè)IC的精度和烤箱溫度。示例#3 圖4電路中的12位ADC帶有溫度檢測(cè)二極管，溫度檢測(cè)二極管將環(huán)境溫度

15、轉(zhuǎn)換成電壓量，IC通過(guò)處理熱電偶電壓和二極管的檢測(cè)電壓，計(jì)算出補(bǔ)償后的熱端溫度。數(shù)字輸出是對(duì)熱電偶測(cè)試溫度進(jìn)行補(bǔ)償后的結(jié)果，在0C至+700C溫度范圍內(nèi)，器件溫度誤差保持在9 LSB以?xún)?nèi)。雖然該器件的測(cè)溫范圍較寬，但它不能測(cè)量0C以下的溫度。 表4是4所示電路的測(cè)量結(jié)果，冷端溫度變化范圍：0C至+70C，熱端溫度保持在+100C。結(jié)論 由于熱電偶是差分溫度測(cè)量器件，在處理熱電偶信號(hào)時(shí)必須建立一個(gè)參考點(diǎn)。熱電偶所提供的電壓體現(xiàn)了熱端與冷端的溫度差。如果已知冷端溫度和相對(duì)于冷端的熱端溫度，即可確定出熱端的實(shí)際溫度值。 冷端補(bǔ)償器件的選擇標(biāo)準(zhǔn)與精度、成本、線(xiàn)性度、溫度范圍等因素有關(guān)，鉑RTD精度最高，但成本也最高。電熱調(diào)節(jié)器價(jià)格低、可工作在較寬的溫度范圍，但其線(xiàn)性度較差。硅溫度傳感器檢測(cè)IC工作溫度