溫差熱電偶(簡(jiǎn)稱熱電偶)是目前溫度測(cè)量中使用最普遍的傳感器之一，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、準(zhǔn)確度高、熱慣性小、輸出信號(hào)為電壓信號(hào)不需要激勵(lì)等優(yōu)點(diǎn)，能夠用于流體、固體、固體壁面等各種不同測(cè)試測(cè)量場(chǎng)合。
熱電偶測(cè)溫原理
當(dāng)導(dǎo)電物質(zhì)處于溫度時(shí)，其電子或空穴會(huì)隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)，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(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。
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(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，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(gè)熱電偶回路中產(chǎn)生的總的熱電勢(shì)是不變的，這種現(xiàn)象稱為中間導(dǎo)體效應(yīng)，可以通過簡(jiǎn)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(cè)溫點(diǎn)(通常稱為“熱端”)，另一端分別接銅線引到信號(hào)調(diào)理電路，熱電偶金屬和銅走線之間的兩個(gè)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(cè)量點(diǎn)和參考點(diǎn)兩處的溫度，由前面所講的熱電偶測(cè)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(cè)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(cè)溫電路采用不同類型的熱電偶，測(cè)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(dòng)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(duì)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(duì)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(lì)電源，不會(huì)自發(fā)熱，不會(huì)因自發(fā)熱而造成測(cè)量誤差。
2.缺點(diǎn)
? 信號(hào)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(hào)調(diào)理。一量處理不當(dāng)，就會(huì)引入誤差，導(dǎo)致測(cè)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(cè)量精度還依賴于冷端溫度的測(cè)量精度，因此熱電偶的測(cè)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(hào)量級(jí)較小，當(dāng)測(cè)量環(huán)境周圍存在雜散電場(chǎng)或磁場(chǎng)時(shí)，可能會(huì)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(zhǎng)時(shí)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(hào)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(hào)在送入ADC之前需要進(jìn)行較高增益的信號(hào)放大(通常需要100倍左右)。同時(shí)，由于信號(hào)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。
? 參考接合點(diǎn)溫度補(bǔ)償，要得到測(cè)量端的絕對(duì)溫度讀數(shù)，需要對(duì)冷端溫度進(jìn)行測(cè)量。冷端溫度測(cè)量一般使用另外一種能夠輸出絕對(duì)溫度的傳感器，如熱電阻、熱敏電阻、集成測(cè)溫IC等，以冷端測(cè)溫結(jié)果來對(duì)熱電偶的測(cè)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(duì)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。
熱電偶測(cè)量電路
根據(jù)成本、精度、通道數(shù)等不同要求，可選擇多種多樣不同的信號(hào)調(diào)理、冷端補(bǔ)償、信號(hào)轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成，下面介紹幾種典型電路。
1. 傳統(tǒng)的熱電偶處理電路
采用通用運(yùn)算放大器對(duì)熱電偶輸出電壓進(jìn)行放大、低通濾波，采用集成溫度IC、二極管等進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，然后送入ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。如下圖，為一早期熱電偶處理電路。采用二極管進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償;采用運(yùn)算放大器構(gòu)成信號(hào)放大、低通濾波電路，同時(shí)帶有傳感器斷路(斷偶)檢測(cè)等輔助功能;采用NE555構(gòu)成壓頻轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率輸出。
2.集成單芯片熱電偶解決方案
目前部分廠商推出了內(nèi)部集成冷端溫度補(bǔ)償、PGA、ADC的熱電偶單芯片解決方案，如TI、Maxim等都有此類單芯片解決方案，一一列舉在下面。
TI公司ADS1118
TI公司ADS1232
Maxim公司MX6674/5
