如何進行熱電偶測量

熱電偶具有下列優點：

- 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，可在數百毫秒內對溫度變化做出響應。

- 無自發熱：由于熱電偶不需要激勵電源，因此不易自發熱。

熱電偶類型眾多，其中K型較受歡迎，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一定溫度測量器件，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。

熱電偶的較大缺點是將熱電偶電壓轉換成可用的溫度讀數必需進行復雜的信號調理。一直以來，這種復雜的信號調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。信號調理的要求具體有哪些呢？

信號調理要求

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轉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環境時。由于大多數噪聲是兩條引線共有的，因此測量系統應采用差分輸入。大多數噪聲都是線路噪聲，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較終熱電偶讀數中。

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時斜率變為47 μV/°C。有三種方法可對熱電偶的非線性進行補償。

首先種方法是選擇曲線相對較平緩的區域并在此區域內將斜率近似為線性，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。
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理是一個缺點。信號調理設計和調試所需的時間可能會延長產品的上市時間。信號調理部分產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。

首先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。

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