熱電偶基礎(chǔ)及如何設(shè)計(jì)熱電偶接口和其他相關(guān)知識(shí)

無論您是要構(gòu)建溫度傳感設(shè)備，還是需要為更大的系統(tǒng)添加傳感功能，上海自動(dòng)化儀表有限公司都應(yīng)熟悉熱電偶并了解如何設(shè)計(jì)熱電偶接口。Bob Perrin在1999年Circuit Cellar Online上的文章“熱電偶基礎(chǔ)”中涵蓋了這些主題以及更多內(nèi)容。本文全文顯示在下面。

一個(gè)數(shù)學(xué)家，一個(gè)物理學(xué)家和一個(gè)工程師正在共進(jìn)午餐。酒保問這三位先生，“我聽到的關(guān)于這個(gè)PI的什么事？”數(shù)學(xué)家回答說：“ pi是圓的周長與其直徑之比。”

物理學(xué)家回答：“ pi是3.14159265359。”

工程師抬起頭，直截了當(dāng)?shù)卣f：“哦，pi大約是三，”然后迅速回到餐巾背面的涂鴉上。

關(guān)鍵不是工程師馬虎，粗心或缺乏社交能力。關(guān)鍵是我們非常務(wù)實(shí)。我們是非理想世界中問題的解決者。這意味著我們必須能夠?qū)⒏拍顟?yīng)用于實(shí)際問題，并且知道何時(shí)某些影響在我們的應(yīng)用中可以忽略不計(jì)。

例如，在設(shè)計(jì)一階或二階濾波器時(shí)，考慮到價(jià)格合理的元件的容差和溫度依賴性，3通常對(duì)于pi足夠接近。

但是，在我們開始進(jìn)行粗略的近似之前，我們必須了解我們正在設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所涉及的物理原理。在沒有完全了解所涉及問題的情況下，似乎近似地受到粗略估計(jì)的一個(gè)話題是熱電偶的溫度測量。

熱電偶是簡單的溫度傳感器，由兩條由不同合金制成的導(dǎo)線組成。這些設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單且易于使用。但是，就像任何電子組件一樣，它們需要一定數(shù)量的解釋。本文的目的是介紹和解釋如何使用熱電偶以及如何設(shè)計(jì)熱電偶接口。

兩種金屬的尾巴

圖1a顯示了一個(gè)熱電偶。一個(gè)結(jié)被稱為熱結(jié)。另一個(gè)結(jié)點(diǎn)被指定為冷結(jié)點(diǎn)或參考結(jié)點(diǎn)。環(huán)路中產(chǎn)生的電流與熱結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)點(diǎn)之間的溫差成正比。熱電偶測量的是溫度差異，而不是絕對(duì)溫度。

要了解為什么形成電流，我們必須回到物理學(xué)。不幸的是，我不是物理學(xué)家，所以這種解釋可能會(huì)歪曲一個(gè)或兩個(gè)概念，但是我還是繼續(xù)。

考慮一根均勻的金屬線。如果在一端施加熱量，那一端的電子將變得更有能量。它們吸收能量并從其正常的能量狀態(tài)轉(zhuǎn)移到更高的能量狀態(tài)。有些將完全從其原子中解放出來。這些新釋放的高能電子移向?qū)Ь€的冷端。隨著這些電子加快導(dǎo)線速度，它們將能量轉(zhuǎn)移到其他原子上。這就是能量（熱量）從電線的熱端傳遞到冷端的方式。

當(dāng)這些電子在導(dǎo)線的冷端聚集時(shí)，它們會(huì)受到靜電排斥。在冷端的非高能電子向?qū)Ь€的熱端移動(dòng)，這就是在導(dǎo)體中保持電荷中性的方式。

從冷端向熱端移動(dòng)的電子的移動(dòng)速度比從熱端向冷端移動(dòng)的高能電子移動(dòng)的速度慢。但是，在宏觀層面上，電荷平衡得以維持。

當(dāng)使用兩種不同的金屬形成熱電偶回路時(shí)，當(dāng)在兩個(gè)結(jié)之間建立溫差時(shí)，兩種金屬對(duì)電子的親和力差異將使電流產(chǎn)生。

當(dāng)電子從冷端移動(dòng)到熱端時(shí)，這些能量不太高的電子在一種金屬中的移動(dòng)比另一種容易。從熱端移動(dòng)到冷端的電子已經(jīng)吸收了很多能量，并且在兩條導(dǎo)線中都可以自由移動(dòng)。這就是在回路中產(chǎn)生電流的原因。

我可能錯(cuò)過了一些物理方面的細(xì)節(jié)，但我想我成為了亮點(diǎn)。如果任何人都可以提供更深入或更詳細(xì)的解釋，請(qǐng)給我發(fā)送電子郵件。為技術(shù)讀者寫作的非常好的事情之一就是向我的讀者學(xué)習(xí)。

打破循環(huán)

如果使用熱電偶，則必須在環(huán)路中插入一個(gè)測量設(shè)備，以獲取有關(guān)熱結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)點(diǎn)之間的溫差的信息。圖1b顯示了典型設(shè)置。將熱電偶線接到接線盒，電路測量開路電壓。

當(dāng)將熱電偶導(dǎo)線連接到端子塊時(shí)，會(huì)形成另外一對(duì)熱電偶（每個(gè)螺釘端子一個(gè)）。如果螺釘端子的端子合金與熱電偶線

不同，則為真。圖1c示出了圖1b的替代表示。結(jié)點(diǎn)2和結(jié)點(diǎn)3是連接到測量電路的不良工件。這兩個(gè)結(jié)通常稱為寄生熱電偶。

在物理電路中，寄生熱電偶形成在每個(gè)焊點(diǎn)，連接器，甚至每個(gè)內(nèi)部IC鍵合線上。如果不是所謂的“中間金屬定律”，這些寄生結(jié)將給我們帶來無盡的麻煩。

中間金屬法則規(guī)定，只有在與第三種金屬的連接處保持等溫（在相同溫度下）的情況下，才能將第三種金屬插入熱電偶系統(tǒng)而不影響系統(tǒng)。

在圖1c中，如果結(jié)2和結(jié)3處于相同溫度，則它們將不會(huì)影響環(huán)路中的電流。圖1b中的電壓表看到的電壓將與1號(hào)結(jié)與2號(hào)和3號(hào)結(jié)之間的溫度差成正比。

結(jié)1是熱結(jié)。有效地將等溫接線盒從電路中移除，因此冷端的溫度就是接線盒的溫度。

測量溫度

熱電偶產(chǎn)生的電壓（或環(huán)路電流）與熱結(jié)和參考結(jié)之間的溫差成正比。如果要知道熱結(jié)的絕對(duì)溫度，則必須知道參考結(jié)的絕對(duì)溫度。

首先，設(shè)置斬波器，使ADC測量增益（Vsensor + Voffset）。其次，設(shè)置斬波器，使ADC測量增益（–Vsensor +Voffset）。

將非常好個(gè)測量值減去第二個(gè)測量值，然后除以二。結(jié)果是GAIN * Vsensor。如您所見，這正是我們感興趣的數(shù)量。儀表放大器的失調(diào)已從測量中刪除。

關(guān)閉時(shí)間

在1821年，托馬斯·J·塞貝克（Thomas J. Seebeck）發(fā)現(xiàn)，如果加熱兩種異種金屬的結(jié)，則會(huì)產(chǎn)生電壓。此電壓此后被稱為塞貝克電壓。

從工業(yè)熔爐到醫(yī)療設(shè)備，熱電偶廣泛存在。乍一看，熱電偶似乎充滿神秘感。他們不是。畢竟，如何用兩根電線構(gòu)建一個(gè)已經(jīng)使用了180年的設(shè)備，很難弄清楚呢？

使用熱電偶進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只要牢記這四個(gè)概念，項(xiàng)目就會(huì)更加順利。首先，熱電偶產(chǎn)生的電壓與熱結(jié)和參考結(jié)之間的溫度差成正比。

其次，由于熱電偶測量相對(duì)溫度差，因此如果系統(tǒng)要報(bào)告絕對(duì)溫度，則需要冷端補(bǔ)償。冷端補(bǔ)償僅意味著知道冷端的絕對(duì)溫度并相應(yīng)地調(diào)整重新分配的溫度值。

要記住的第三點(diǎn)是，熱電偶的塞貝克電壓系數(shù)很小，通常約為每攝氏度數(shù)十微伏。非常后，熱電偶在其整個(gè)溫度范圍內(nèi)都是非線性的。如果需要，線性化非常好在軟件中完成。

有了這些概念，本文中的電路以及一些時(shí)間，上海自動(dòng)化儀表有限公司應(yīng)該可以在下一個(gè)項(xiàng)目中設(shè)計(jì)一個(gè)熱電偶。