热电偶测量温度原理.

1、2两点的温度不同时，回路中就会产生热电势，因而?就有电流产生，电流表就会?发生偏转，这一现象称为热?电效应（塞贝克效应），产生的电势、电流分别叫热电?势、热电流。

热电偶温度计属于接触式温度测量仪表。

是根据热电效应即塞贝克效应原理来测量温度
的，是温度测量仪表中常用的测温元件。

将不同材料的导体A、B接成闭合回路,接触测温点的一端称测量端,一端称参比端。

若测量端和参比端所处温度t和t0 不同,则在回路的A、B之间就产生一热电势EAB(t，t0 ),这种现象称为塞贝克效应，即热电效应。

EAB大小随导体A、B的材料和两端温度t和t0 而变,这种回路称为原型热电偶。

在实际应用中，将A、B的一端焊接在一起作为热电偶的测量端放到被测温度t处，而将参比端分开，用导线接入
显示仪表，并保持参比端接点温度t0稳定。

显示仪表所测电势只随被测温度而t变化。

第一节热电偶的测温原理
在1821年德国医生塞贝克在实验中发现热电效应以来，经珀尔帖、汤姆逊以及开尔文
等科学家的大量研究，热电效应理论得到了不断的发展，并日趋完善。

热电偶是热电效应的
具体应用之一，它在温度测量中得到了广泛的应用，热电偶具有结构简单、容易制造、使用方便和测量精度高等优点。

可用于快速测温、点温测量和表面测量等，但是热电偶也存在着
不足的地方，如使用的参考端温度必须恒定，否则将歪曲测量结果；在高温或长期使用中，
因受被测介质或气氛的作用（如氧化、还原等）而发生劣化，降低使用寿命。

尽管如此，热
电偶仍在工业生产和科研活动中起着举足轻重的作用。

下面我们从三个热电效应的阐述中来
讨论热电偶的测温原理。

一、塞贝克效应和塞贝克电势
热电偶为什么能用来测量温度呢？这就是从热能和电能的相互转化的热电现象说起。

在1821年，塞贝克通过实验发现一对异质金属A、B组成的闭合回路（如图1-1）中，如果对
接点a加热，那么，a,b两接点的温度就会不同，温度不同，就会有电流产生，使得接在电
路中的电流表发生偏转。

这一现象现今称为温差电效应或塞贝克效应，相应的电势称为温差
热电势或塞贝克电势，它在热电偶回路中产生的电流称为热电流。

Ａ、Ｂ称为热电极，接点a是用焊接的方法连接一起的，测温时，将它置于被测温度场中，称为测量端或者工作端，
接点b一般要求恒定在某一温度称为参考端或自由端。

3．热电偶冷端的温度补偿由于热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时），而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热
电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。

必须指出，
热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。

因此，还需采用其他修正方法来
补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性
不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃。

在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端
的温度不能超过100℃。

冷端温度补偿器的型号应与热电偶的型号相符,并在规定温度范围内
使用; 冷端温度补偿器与热电偶连接时极性不能接错; 根据补偿器的平衡点温度调整仪表
起始点,使指针批示在平衡点温度; 具有自动补偿机构的显示仪表不安装补偿器;补偿器必须定期检查和检定。

冷端补偿：
概述
温度测量应用中有多种类型的变送器，热电偶是最常用的一种，可广泛用于汽车、家
庭等领域。

与RTD、电热调节器、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，热电偶的牢固、可靠性和快速响应时间使其成为各种工作
环境下的首要选择。

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。

虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。

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，可理想用于精确测量系统。

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、宽温度范围使其得到广泛使用。

热电偶基础
热电偶是差分温度测量器件，由两段不同的金属/合金线构成，一段用作正端，另一段用作负端。

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。

每种热电偶在其规定的温度范围内具有独特的热电特性。

两种不同类型的金属接(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。

这种现象称为Seebeck效应，用于解释热能转换为电能的过程。

Seebeck 效应相对于Peltier效应，Peltier效应用于解释电能转换成热能的过程，典型应用有电热致
冷器。

图1a所示，测量电压VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)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。

定标因数，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)和两个额外的节点。

本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，
只要这两个节点温度相同，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仍然是热端与冷端温度之差的函数，与Seebeck系数有关。

然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。

，则VOUT = VH。

这冷端温度为0°C (冰点)时是一种最简单的情况，如果TC = 0°Ｃ
种情况下，热端测量电压是结点温度的直接转换值。

美国国家标准局(NBS)提供了各种类型热电偶的电压特征数据与温度对应关系的查找表。

所有数据均基于0°Ｃ冷端温度。

利用冰点作为参考点，通过查找适当表格中的VH可以确定热端温度。

在热电偶应用初期，冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得一个冰
点参考温度不太现实。

如果冷端温度不是0°Ｃ，那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端
温度。

考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。

选择冷端温度测量器件
如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测
器件实现。

在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。

对于精度要求非常高的器件，经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较高
精度，但其成本很高。

精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电
阻比硅IC具有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性度，因而性能指标更好一些。

修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。

温度传感器IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。

总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范
围、成本和线性指标，以便得到最佳的性价比。

考虑因素
一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。

一种简单的方法既
是使用NBS提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，但查找表对于连续的重复查询
提供了一种快速、精确的测量方案。

将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复
杂一些，这两种方法是：1) 利用多项式系数进行线性逼近，2) 对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。

软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。

缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。

多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。

出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。

这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。

其精度取决于修
正逼近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。

应用电路
下面讨论了三种利用硅传感器IC进行冷端补偿的典型应用，三个电路均用来解决温
度范围较窄(0°Ｃ至+70°Ｃ和-40°Ｃ至+85°C)的冷端温度补偿，精度在几个摄氏度以内。

第
二个电路包含一个远端二极管温度检测器，由连接成二极管的晶体管为其提供测试信号。

第三个电路中的模/数转换器(ADC)内置冷端补偿。

所有三个电路均采用K型热电偶(由镍铬合金和镍基热电偶合金组成)进行温度测量。

示例#1
图2所示电路中，16位Σ-Δ ADC将低电平热电偶电压转换成16位串行数据输出。

集成可编程增益放大器有助于改善ADC的分辨率，这对于处理热电偶小信号输出非常必要。

温度检测IC靠近热电偶安装，用于测量冷端附近的温度。

这种方法假设IC温度近似等于冷端温度。

冷端温度传感器输出由ADC的通道2进行数字转换。

温度传感器内部的 2.56V基准节省了一个外部电压基准IC。

工作在双极性模式时，ADC可以转换热电偶的正信号和负信号，并在通道1输出。

ADC 的通道2将MAX6610的单端输出电压转换成数字信号，提供给微控制器。

温度检测IC的输出电压与冷端温度成正比。

为了确定热端温度，需首先确定冷端温度。

然后通过NBS提供的K型热电偶查找表
将冷端温度转换成对应的热电电压。

将此电压与经过PGA增益校准的热电偶读数相加，最
后再通过查找表将求和结果转换成温度，所得结果即为热端温度。

表2列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°Ｃ至+85°Ｃ，热端保持在+100°Ｃ。

实际测量结果在很大程度上取
决于本地温度检测IC的精度和烤箱温度。

示例#2
图3所示电路中，远端温度检测IC测量电路的冷端温度，与本地温度检测IC不同的是IC不需要靠近冷端安装，而是通过外部连接成二极管的晶体管测量冷端温度。

晶体管直
接安装在热电偶接头处。

温度检测IC将晶体管的测量温度转换成数字输出。

ADC的通道1将热电偶电压转换成数字输出，通道2没有使用，输入直接接地。

外部2.5V基准IC为ADC提供基准电压。

表3列出了温度测量结果，冷端温度变化范围：-40°Ｃ至+85°Ｃ，热端保持在+100°Ｃ。

实际测量结果在很大程度上取决于远端二极管温度检测IC的精度和烤箱温度。

示例#3
图4电路中的12位ADC带有温度检测二极管，温度检测二极管将环境温度转换成电
压量，IC通过处理热电偶电压和二极管的检测电压，计算出补偿后的热端温度。

数字输出
是对热电偶测试温度进行补偿后的结果，在0°Ｃ至+700°Ｃ温度范围内，器件温度误差保持在±9 LSB以内。

虽然该器件的测温范围较宽，但它不能测量0°Ｃ以下的温度。

表4是4所示电路的测量结果，冷端温度变化范围：0°Ｃ至+70°Ｃ，热端温度保持在+100°Ｃ。

结论
由于热电偶是差分温度测量器件，在处理热电偶信号时必须建立一个参考点。

热电偶
所提供的电压体现了热端与冷端的温度差。

如果已知冷端温度和相对于冷端的热端温度，即
可确定出热端的实际温度值。

冷端补偿器件的选择标准与精度、成本、线性度、温度范围等因素有关，铂RTD精度最高，但成本也最高。

电热调节器价格低、可工作在较宽的温度范围，但其线性度较差。

硅温度传感器检测IC工作温度范围较窄，但具有合理的精度和线性度，成本也比较低，能
够满足多数热电偶应用的需求。

一般是采用接补偿导线的办法。

现在生产的测量仪表，大多都带有自动补偿的电路，可以纠正补偿导线冷端不是零度而产生的误差。

所以大多数仪表按规定接补偿导线即可。

毫伏计里没有相关的补偿电路，象这类仪表，不但要接补偿导线，还要用调整零点等方法补偿。

不补偿会出现测量错误。

例如用毫伏计测量温度，热电偶冷端为50度，接补偿导线，补偿导线冷端为室温20度，如果不采取调整零点的方法，测量显示温度为实际温度减
去20度。