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

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，上海自動化儀表有限公司都應(yīng)熟悉熱電偶并了解如何設(shè)計熱電偶接口。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。

一個數(shù)學(xué)家，一個物理學(xué)家和一個工程師正在共進(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?！?/span>

物理學(xué)家回答：“ pi是3.14159265359?！?/span>

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。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)用于實際問題，并且知道何時某些影響在我們的應(yīng)用中可以忽略不計。

例如，在設(shè)計一階或二階濾波器時，考慮到價格合理的元件的容差和溫度依賴性，3通常對于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的一個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)計熱電偶接口。

兩種金屬的尾巴

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

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歪曲一個或兩個概念，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，它們會受到靜電排斥。在冷端的非高能電子向?qū)Ь€的熱端移動，這就是在導(dǎo)體中保持電荷中性的方式。

從冷端向熱端移動的電子的移動速度比從熱端向冷端移動的高能電子移動的速度慢。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，當(dāng)在兩個結(jié)之間建立溫差時，兩種金屬對電子的親和力差異將使電流產(chǎn)生。

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

我可能錯過了一些物理方面的細(xì)節(jié)，但我想我成為了亮點。如果任何人都可以提供更深入或更詳細(xì)的解釋，請給我發(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)路中插入一個測量設(shè)備，以獲取有關(guān)熱結(jié)點和冷結(jié)點之間的溫差的信息。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，會形成另外一對熱電偶（每個螺釘端子一個）。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2和結(jié)點3是連接到測量電路的不良工件。這兩個結(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焊點，連接器，甚至每個內(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號結(jié)與2號和3號結(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)的絕對溫度，則必須知道參考結(jié)的絕對溫度。

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）。

將非常好個測量值減去第二個測量值，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)計時，只要牢記這四個概念，項目就會更加順利。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溫度差，因此如果系統(tǒng)要報告絕對溫度，則需要冷端補償。冷端補償僅意味著知道冷端的絕對溫度并相應(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間，上海自動化儀表有限公司應(yīng)該可以在下一個項目中設(shè)計一個熱電偶。