引言：由于熱電偶是差分溫度測量器件，在處理熱電偶信號時以冷結(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，考慮到非零攝氏度冷結(jié)點(diǎn)的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進(jìn)行冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。本文比較了幾種冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償器件，并以硅溫度傳感器檢測IC為例介紹了三種應(yīng)用設(shè)計方法和測量的結(jié)果。

圖1：a. 環(huán)路電壓由熱電偶兩個結(jié)點(diǎn)之間的溫差產(chǎn)生。b. 常見的熱電偶配置由兩條金屬線連接在一結(jié)點(diǎn)，每條線的開路結(jié)點(diǎn)與銅恒溫線連接。



圖2：本地溫度檢測IC(MAX6610)確定冷結(jié)點(diǎn)溫度。熱電偶和冷結(jié)點(diǎn)溫度傳感器輸出電壓由16位ADC(MAX7705)轉(zhuǎn)換。



圖3：遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)二極管靠近冷結(jié)點(diǎn)安裝檢測溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準(zhǔn)電壓。



圖4：集成了冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償?shù)腁DC，將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度，無需外部元件。



表1：幾種常用的熱電偶類型。



表2：測量值取自不同烤箱內(nèi)的冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)溫度。冷結(jié)點(diǎn)溫度范圍：-40℃至+85℃，熱結(jié)點(diǎn)溫度保持在+100℃。



表3：測量值取自不同烤箱內(nèi)的冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)溫度。冷結(jié)點(diǎn)溫度范圍：-40℃至+85℃，熱結(jié)點(diǎn)溫度保持在+100℃。表中的熱結(jié)點(diǎn)測量值經(jīng)過補(bǔ)償。



表4：測量值取自不同烤箱內(nèi)的冷結(jié)點(diǎn)和熱結(jié)點(diǎn)溫度。冷結(jié)點(diǎn)溫度范圍：0℃至+70℃，熱結(jié)點(diǎn)溫度保持在+100℃。表中的熱結(jié)點(diǎn)測量值是電路提供的十進(jìn)制數(shù)字。

        溫度測量應(yīng)用中有多種類型的傳感器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用于汽車、家庭等。與電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電調(diào)節(jié)器、溫度檢測集成電路(IC)相比，熱電偶能夠檢測更寬的溫度范圍，具有較高的性價比。另外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應(yīng)時間使其成為各種工作環(huán)境下的首選。當(dāng)然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如線性特性較差。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，可以很理想地用于精確測量系統(tǒng)。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。如果排除上述問題，熱電偶的低價位、易使用、寬溫度范圍可以使其得到廣泛使用。

熱電偶與冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償

        熱電偶是差分溫度測量器件，由兩段不同的金屬線構(gòu)成，一段用作正結(jié)點(diǎn)，另一段用作負(fù)結(jié)點(diǎn)。表1列出了四種最常用的熱電偶類型、所用金屬以及對應(yīng)的溫度測量范圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個結(jié)點(diǎn)，如圖1a所示，環(huán)路電壓是兩個結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)。這利用了Seebeck效應(yīng)，通常描述為熱能轉(zhuǎn)換為電能的過程。Seebeck效應(yīng)與Peltier效應(yīng)相反，Peltier效應(yīng)為電能轉(zhuǎn)換成熱能的過程，典型應(yīng)用有熱電致冷器。如圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測結(jié)點(diǎn)(熱結(jié)點(diǎn))結(jié)電壓與參考結(jié)點(diǎn)(冷結(jié)點(diǎn))結(jié)電壓之差。因為VH和VC是由兩個結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。

        圖1b所示是一種最常見的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的結(jié)點(diǎn)。本例中，每個開路結(jié)點(diǎn)與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個額外結(jié)點(diǎn)，只要這兩個結(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。VOUT仍然是熱結(jié)點(diǎn)與冷結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。