熱電偶已成為在合理精度內(nèi)高性價比測量寬溫度范圍的工業(yè)標準方法。它們應用于高達約+2500°C的各種場合，如鍋爐、熱水器、烤箱和飛機引擎等。
熱電偶具有下列優(yōu)點：
- 溫度范圍廣：從低溫到噴氣引擎廢氣，熱電偶適用于大多數(shù)實際的溫度范圍。熱電偶測量溫度范圍在-200°C至+2500°C之間，具體取決于所使用的金屬線。
- 堅固耐用：熱電偶屬于耐用器件，抗沖擊和抗振動性好，適合危險惡劣的環(huán)境。
- 響應快：熱電偶對溫度響應快，尤其在感應接合點裸露時。它們體積小，熱容量低，可在數(shù)百毫秒內(nèi)對溫度變化做出響應。
- 無自發(fā)熱：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發(fā)熱。
熱電偶類型眾多，其中K型最受歡迎，原因是它具有相對較大的輸出電壓、可在寬溫度范圍內(nèi)保持線性，并且成本低。
熱電偶原理
熱電偶由在一頭相連的兩根不同金屬線組成。相連的一頭稱為測量接合點或熱接合點。金屬線不相連的另一頭接到信號調(diào)理電路走線，它一般由銅制成。在熱電偶金屬和銅走線之間的這一個接合點叫做參考（"冷"）接合點。
在參考接合點處產(chǎn)生的電壓取決于測量接合點和參考接合點兩處的溫度。由于熱電偶是一種差分器件而不是絕對溫度測量器件，必須知道一個接合點的參考溫度才能從輸出電壓推算出另一個接合點的溫度。
熱電偶的最大缺點是將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成可用的溫度讀數(shù)必需進行復雜的信號調(diào)理。一直以來，這種復雜的信號調(diào)理耗費著大量設計時間，處理不當就會引入誤差，導致精度降低。信號調(diào)理的要求具體有哪些呢？
信號調(diào)理要求
放大電壓：熱電偶輸出電壓隨溫度的變化幅度只有每度μV。例如，常用的K型變化幅度為41 μV/°C。這種微弱的信號在模數(shù)轉(zhuǎn)換前需要較高的增益級。
消除噪聲：噪聲可輕松淹沒微小的熱電偶信號，特別是當長熱電偶線穿過工業(yè)環(huán)境時。由于大多數(shù)噪聲是兩條引線共有的，因此測量系統(tǒng)應采用差分輸入。大多數(shù)噪聲都是線路噪聲，可通過能夠抑制50 Hz和60 Hz噪聲的低通
濾波器濾除。
參考接合點補償：熱電偶的電壓取決于測量接合點和參考接合點兩處的溫度。由于我們僅對測量接合點的溫度感興趣，因此必須消除參考接合點的影響，即需要進行"參考接合點補償"，也稱為"冷接合點補償"。參考接合點補償是通過用另一種溫度器件（一般為IC、熱敏電阻、二極管或RTD）測量參考接合點溫度來進行的。必須盡可能精確地讀取參考接合點，一方面要使用精確的
溫度傳感器，另一方面要確保該傳感器處在與參考接合點相同的溫度下。任何讀取參考接合點溫度的誤差都會直接反映在最終熱電偶讀數(shù)中。
校正非線性度：熱電偶響應曲線的斜率隨溫度而變化。例如，T型熱電偶在0°C時按39 μV/°C變化，但在100°C時斜率變?yōu)?7 μV/°C。有三種方法可對熱電偶的非線性進行補償。
第一種方法是選擇曲線相對較平緩的區(qū)域并在此區(qū)域內(nèi)將斜率近似為線性，這種方法特別適合于溫度范圍有限且不需要復雜計算的測量。第二種方法是將一個查找表存儲在內(nèi)存中，查找表中的熱電偶電壓要與其對應的溫度相匹配，然后使用線性近似法在查找表中的點之間進行插值。第三種方法使用高階公式來對熱電偶的特性進行建模。注意，這些表格和公式全部基于0°C參考接合點溫度。對于其它參考接合點溫度，必須進行參考接合點補償。
圖2. 熱電偶的非線性
處理熱電偶的絕緣和接地：熱電偶制造商在測量接合點上設計了絕緣和接地兩種尖端。設計熱電偶信號調(diào)理時應在測量接地熱電偶時避免接地回路，還要在測量絕緣熱電偶時具有一條放大器輸入偏壓電流路徑。此外，如果熱電偶尖端接地，放大器輸入范圍的設計應能夠應對熱電偶尖端和測量系統(tǒng)地之間的任何接地差異。
相對于其它溫度測量解決方案，熱電偶的復雜信號調(diào)理是一個缺點。信號調(diào)理設計和調(diào)試所需的時間可能會延長產(chǎn)品的上市時間。信號調(diào)理部分產(chǎn)生的誤差可能會降低精度，尤其在冷接合點補償段。下列兩種解決方案可以解決這些問題。
第一種方案詳細介紹了一種簡單的集成硬件解決方案，它將參考接合點補償和熱電偶測量結合在一起。第二種方案詳細介紹了一種基于軟件的參考接合點補償方案，熱電偶測量精度更高，可更靈活地使用多種類型熱電偶。
測量解決方案1：為簡單而優(yōu)化
圖3所示為K類型熱電偶測量示意圖。它使用了AD8495熱電偶放大器，該放大器專門設計用于測量K型熱電偶。這種解決方案為縮短設計時間而優(yōu)化：它的信號鏈比較簡潔，不需要任何軟件編碼。
圖3. K型熱電偶測量示意圖
這種簡單的信號鏈是如何解決上述信號調(diào)理要求的呢？
放大電壓：微弱的熱電偶信號被AD8495放大122倍，形成5mV/°C的輸出信號。
消除噪聲：高頻共模和差分噪聲由AD8495前置的RFI濾波器消除。低頻率共模噪聲由AD8495的儀表放大器來抑制。殘余噪聲則由AD8495后置的濾波器解決。
參考接合點補償：AD8495內(nèi)置一個
溫度傳感器，可內(nèi)部補償環(huán)境溫度變化。必須將AD8495放在參考接合點附近以保持相同的溫度，從而獲得精確的參考接合點補償。
校正非線性度：通過校準，AD8495在K型熱電偶曲線的線性部分獲得5 mV/°C輸出，在-25°C至+400°C溫度范圍內(nèi)的線性誤差小于2°C。如果需要此范圍以外的溫度，ADI公司有一篇應用筆記介紹了如何在微處理器中使用查找表或公式來擴大溫度范圍。
處理熱電偶的絕緣和接地：該方案使用一個接地1 M?電阻，該電阻同時適用于接地型和絕緣型熱電偶尖端。圖中顯示AD8495采用5 V單電源工作，它專門設計以在搭配單電源時測量地電壓以下數(shù)百毫伏。如果希望更大地壓差，AD8495還可采用雙電源工作。
圖4所示為AD8495熱電偶放大器的框圖。放大器A1、A2、A3及所示電阻一道形成一個儀表放大器，它放大熱電偶電壓，使輸出電壓為5 mV/°C。在標記為"Ref junction compensation"（參考接合點補償）的框內(nèi)是一個環(huán)境
溫度傳感器。如果參考接合點溫度上升，來自熱電偶的差分電壓就會降低。為了進行補償，參考接合點補償電路將額外電壓施加到放大器內(nèi)，使輸出電壓保持恒定。
表1概述了該集成硬件解決方案的性能：
表1： 集成硬件解決方案的性能
測量解決方案2：為精度和靈活性而優(yōu)化
圖5顯示高精度測量J、K或T型熱電偶的示意圖。此電路包括一個小信號熱電偶電壓測量用的高精度ADC，和一個參考接合點溫度測量用的高精度
溫度傳感器。兩個器件都由一個單獨的微處理器使用SPI接口進行控制。
圖5. 基于軟件的參考接合點補償方案
這種信號鏈如何滿足上述信號調(diào)理要求呢？
放大電壓：如圖6所示，使用高精度、低功耗ADC AD7793來測量熱電偶電壓。熱電偶線連接到一組差分輸入AIN1(+)和AIN1(-)，然后依次經(jīng)過一個多路復用器、一個
緩沖器和一個儀表放大器（放大熱電偶小信號）。
圖6. AD7793功能框圖
消除噪聲：由于輸入通道具有緩沖功能，因此將濾波器電容置于前端，以便于消除可能出現(xiàn)在熱電偶引線上的拾取噪聲。
參考接合點補償：AD7320在-10°C至+85°C溫度范圍內(nèi)測量參考接合點溫度的精度可達到±0.2°C。參見圖7，片上溫度傳感器產(chǎn)生與絕對溫度成正比的電壓，該電壓與內(nèi)部基準電壓相比較并輸入至精密數(shù)字調(diào)制器。調(diào)制器輸出的數(shù)字化結果用于刷新一個16位溫度值寄存器，然后通過SPI接口從微控制器回讀溫度值寄存器。為獲得最佳結果，溫度傳感器應盡可能靠近參考接合點放置。
圖7. ADT7320功能框圖
校正非線性度：AD7320在整個額定溫度范圍（-40°C至+125°C）內(nèi)呈現(xiàn)出色的線性度，不需要用戶校正或校準。
為了確定實際熱電偶溫度，必須使用美國國家標準技術研究院(NIST)所提供的公式將參考溫度測量值轉(zhuǎn)換成等效熱電電壓。此電壓與AD7793測量的熱電偶電壓相加，然后再次使用NIST公式將兩者之和又轉(zhuǎn)換回熱電偶溫度。
處理絕緣和接地熱電偶：圖5所示為具有裸露尖端的熱電偶。這可提供最佳響應時間。
下表概述了基于軟件的參考（冷）接合點測量解決方案的性能：
結論
熱電偶可在極寬的溫度范圍內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的溫度測量，但因為設計時間較長或者精度較低，它們往往不是溫度測量的首選。本文針對每種問題都提供了一種解決方案。
第一種解決方案注重降低測量的復雜度，采用的是基于硬件的冷接合點補償技術。它可以實現(xiàn)簡單的信號鏈，不需要任何軟件編程。它依靠AD8495所提供的集成特性產(chǎn)生5mV/°C輸出信號，可饋入到各種微控制器的模擬輸入端。
第二種解決方案可提供最高測量精度，還適用于不同的熱電偶類型。作為一種基于軟件的冷接合點補償技術，它依賴于高精度ADT7320數(shù)字溫度傳感器來提供精度遠超過去所實現(xiàn)精度的參考接合點補償測量。ADT7320在-40°C至+125°C溫度范圍內(nèi)完全校準并提供額定性能。不同于傳統(tǒng)的熱敏電阻或RTD傳感器，它既不需要在電路板裝配后進行高成本的校準步驟，也不會因校準系數(shù)或線性化程序而消耗處理器或內(nèi)存資源。 ADT7320的功耗只有數(shù)微瓦，避免了會降低傳統(tǒng)電阻式傳感器解決方案精度的自發(fā)熱
