热电偶应用中冷结点补偿的实现

引言：由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时以冷结点作为参考点，考虑到非零摄氏度冷结点的电压，必须对热电偶输出电压进行冷结点补偿。本文比较了几种冷结点补偿器件，并以硅温度传感器检测IC为例介绍了三种应用设计方法和测量的结果。

图1：a. 环路电压由热电偶两个结点之间的温差产生。b. 常见的热电偶配置由两条金属线连接在一结点，每条线的开路结点与铜恒温线连接。



图2：本地温度检测IC(MAX6610)确定冷结点温度。热电偶和冷结点温度传感器输出电压由16位ADC(MAX7705)转换。



图3：远结点二极管靠近冷结点安装检测温度。MAX6002为ADC提供2.5V基准电压。



图4：集成了冷结点补偿的ADC，将热电偶电压转换为温度，无需外部元件。



表1：几种常用的热电偶类型。



表2：测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围：-40℃至+85℃，热结点温度保持在+100℃。



表3：测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围：-40℃至+85℃，热结点温度保持在+100℃。表中的热结点测量值经过补偿。



表4：测量值取自不同烤箱内的冷结点和热结点温度。冷结点温度范围：0℃至+70℃，热结点温度保持在+100℃。表中的热结点测量值是电路提供的十进制数字。

        温度测量应用中有多种类型的传感器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家庭等。与电阻式温度检测器(RTD)、热电调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶能够检测更宽的温度范围，具有较高的性价比。另外，热电偶的鲁棒性、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作环境下的首选。当然，热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如线性特性较差。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可以很理想地用于精确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题，热电偶的低价位、易使用、宽温度范围可以使其得到广泛使用。

热电偶与冷结点补偿

        热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属线构成，一段用作正结点，另一段用作负结点。表1列出了四种最常用的热电偶类型、所用金属以及对应的温度测量范围。热电偶的两种不同金属线焊接在一起后形成两个结点，如图1a所示，环路电压是两个结点温差的函数。这利用了Seebeck效应，通常描述为热能转换为电能的过程。Seebeck效应与Peltier效应相反，Peltier效应为电能转换成热能的过程，典型应用有热电致冷器。如图1a所示，测量电压VOUT是检测结点(热结点)结电压与参考结点(冷结点)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，VOUT也是温差的函数。比例因数α对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。

        图1b所示是一种最常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的结点。本例中，每个开路结点与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外结点，只要这两个结点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。VOUT仍然是热结点与冷结点温差的函数，与Seebeck系数有关。