热电偶是一种常见的温度传感器类型，用于从实验室测试台到工业环境的应用。然而，正如许多类型的传感器的常见情况一样，使用热电偶获取准确的数据可能具有挑战性。本应用笔记研究了热电偶是如何构建的，以及它们如何工作背后的物理原理，提供了一种理解，这将有助于读者提高其计算的准确性。

热电偶是如何产生的

形成“热”和“冷”结的两个不同导体的组合产生热电偶(图1)。保持两个结在不同的温度产生电动势(EMF)，也称为热电电压。电动势的测量单位是毫伏，是一种被称为“塞贝克效应”的物理现象的产物。塞贝克效应描述了热电偶材料产生的电压以及热结和冷结之间的温差。

方程1给出了塞贝克效应的线性近似。

ÆV = S × (T(h) - T(c))

ÆV:两种不同金属之间的电压差

S:塞贝克系数，单位V/K(通常单位µV/°C)

T(h) - T(c):冷热端温差

塞贝克系数是特定于用于构造热电偶的两个导体的。它与温度有非线性关系。使用塞贝克效应的线性近似可以产生显著的测量误差。现代热电偶测量技术应考虑到这种非线性。重要的是要明白，温度测量不能仅仅由热电偶产生的电动势来确定。相反，必须知道以下三个参数:

• 热电电压，由于热结和冷结之间的热梯度

• 热电偶型

• 冷端温度

如果这些变量中的任何一个是未知的，则不能确定热电偶感测结的温度。方程2给出了考虑上述参数的热电偶热结温度测量的更新计算:

T(h):热结温度，单位为℃

T(c):冷端温度，单位为℃

a(T(c)):塞贝克系数随T(c)的函数，单位为µV/°c

影响热电偶测量精度的因素

记住基本原理可以更容易地理解影响热电偶测量精度的因素。有了上面提到的三个必要参数，从热电偶产生热结温度测量就相对容易了。然而，获取这些参数的方法可能会在测量中引入不准确性。在测量的不同阶段，下列因素会对温度变化产生不同程度的影响:

• 热电偶的特性

• 冷端测量

• 嘈杂的环境中

• 线性化

热电偶的特性

有时，热电偶本身的问题会导致不准确的测量结果。这些问题可能出现在热电偶老化时发生的损坏中。需要注意的一些常见问题包括:

• 热结热/电气连接不良如果两个导体在热接口处没有正确地连接在一起，就可能产生错误的热电电压。裸线结、绝缘结和接地结是热电偶中最常见的热结类型。进一步说明如下:




• 裸线热电偶-两个引线可以以不同的方式连接在一起。引线可以拧在一起，焊接在一起，或焊接在一起。对于机械振动过大的应用，不建议将引线扭在一起。对于高温应用，由于焊料回流的可能性，连接处不应该焊接在一起。冷焊通常是最好的选择。

• 绝缘结基于结的结构，与裸线型热电偶相比，绝缘结在机械上更坚固，耐腐蚀。但是，由于没有金属表面直接暴露在测量温度下，热结的热阻增大。这减慢了热电偶对任何温度变化的响应。因此，在需要快速响应温度变化的地方，不建议使用绝缘结。在某些情况下，慢响应可能是有利的，因为它有助于过滤掉“噪声”。绝缘接头也不推荐用于导热系数低的材料(对于某些气体来说很常见)。

• 接地接点-结构类似于绝缘接点热电偶，附加的特点是接点与保护护套电连接。虽然结构类型是机械坚固和防止腐蚀，接地接点有比绝缘接点更快的响应时间，由于金属连接到保护护套(由于护套的热质量，尽管，他们仍然可能很慢)。然而，由于热电偶的尖端直接焊接到保护护套上，整个表面都很容易受到影响。如果护套与电信号接触，它将使来自热电偶的EMF信号不可靠。这种副作用通常被忽视，使用接地接点的应用需要仔细规划。另一个重要的考虑因素是“接地”护套的电位可能与系统接地电位相差mV甚至V。一般来说，信号调理电路的电源需要隔离。

• 沿着热电偶线路的串联电阻-由于热电偶是导体，导体或附加电路中的寄生电阻可能会影响信号。如果引线太长或太细，总串联电阻可能会在电动势到达冷端之前导致信号退化。解决这个问题的一种方法是使用一种被称为“扩展级”的特殊类型的热电偶线，它的设计目的是使热电电路传输更长的距离。

• 低档材料用于构造热电偶-一些便宜的热电偶是由低冶金等级材料制成的。这种材料的使用可能导致结构中的杂质对每批金属的影响不同，产生可变的塞贝克系数。

• 沿引线长度的电气隔离问题如果使用错误的绝缘类型或质量差的绝缘来分离热电偶的两个引线，可能会出现几个问题。在高温应用中，如果使用非耐温型绝缘，则绝缘可能熔化，导致暴露在引线上。绝缘部分的断裂也可能暴露热电偶引线。一旦热电偶引线暴露在元件中，它们可能会腐蚀，导致短路或线路故障，或将其他电信号引入线路。也有可能将正极和负极导线短接在一起，这将产生过早的热结，仍然会给出错误位置的温度值。

• 热电偶类型,每种热电偶类型都有指定的温度测量范围。给定的热电偶必须能够承受其应用的环境条件。具有广泛的操作和廉价的结构，k型热电偶是一些最常用的类型。一些热电偶解决方案仅适用于给定的热电偶类型。集成解决方案，如MAX31856可配置，以支持所有常见的热电偶类型。

上面的列表提出了一些常见的问题，这些问题可能导致基于热电偶选择的准确性损失。然而，即使选择了好的热电偶，也不能避免一些误差。

测量冷端温度

当使用热电偶推导热结温度时，实现精确的冷结温度测量至关重要。为了保持恒定且已知的0°C的温度，传统的冷接头将在冰冷的水浴中冷却(因此得名“冷接头”)。现代热电偶数字集成电路(如MAX31856)使用冷端补偿，通过计算和温度测量来补偿冷端温度的影响。温度传感器通常用于测量冷端温度。

当使用人工冷端补偿时，精度的一个重要考虑因素是将温度传感器尽可能靠近真正的冷端。此外，请确保冷端和测量IC处于相同的温度。一种方法是最大限度地提高两个器件之间的导热性，并使其远离任何热源。无论热电偶引线是直接焊接到电路板上还是通过端子块连接，都可以最大限度地减少引线和温度传感器之间的热梯度，从而提高所有温度传感器的精度。

处理嘈杂环境

由于热电偶产生的信号很小，热电偶测量容易受到噪声的影响。沿着引线长度的磁通量或暴露于电磁干扰(EMI)的差异会在热电偶信号中产生噪声。热电偶通常用于工业环境中，这些环境中充满了将噪声引入信号的机会。一个常见的噪声来源是磁场的磁通差，它来自于60Hz或50Hz的线路噪声，这取决于国家。这些磁场在热电偶的引线上产生电流，并可能在信号中引入误差。为了解决这个问题，诸如MAX31856之类的ic实现设计包括具有50Hz或60Hz可配置陷波频率的内部滤波器。使用内部滤波电路，从主电源频率诱导到信号的干扰可以最小化。

对于更高的频率，铁氧体珠和差分滤波器可以用来减少噪声耦合到热电偶。在正极和负极引线之间安装一个100nF差分电容，尽可能靠近人工冷结，有助于减轻热电偶线路中引起的一些噪声。在噪声水平较高的应用中，特别是高强度射频场，应在每根引线和地之间放置额外的10nf电容器。

电源耦合噪声可能出现在热电偶测量中。为了尽量减少此类噪声的影响，可以将0.1µf陶瓷旁路电容器放置在尽可能靠近DVDD和AVDD引脚和GND的位置。这样做有助于防止电源电压峰值影响温度转换。图2显示了MAX31856热电偶感测IC的典型应用电路，在热电偶输入端应用滤波电容器。此外，在可能的情况下，扭转热电偶导线可以防止电容耦合噪声作为差分噪声电压项出现。

支持多种转换方法

如前所述，任何热电偶类型的塞贝克系数取决于热电偶的温度，这产生了电压到温度的非线性传递函数。美国国家标准与技术研究所(NIST)维护一个公开的电压-温度转换数据库，用于校准和测试每种热电偶类型。该数据库包括几种不同的转换方法。一种方法是电压-温度查找表，该表将差分热电电压映射到每个热电偶类型的整个温度范围内的温度值(假设冷端在0°C)。另一种方法是一系列9(th)或10(th)阶多项式方程，用于将电压转换为温度或温度转换为电压。

在大多数应用中，在ADC将原始热电偶电压数字化后，必须通过查找表或几个浮点计算将ADC输出代码转换为温度值。对于较大的温度范围使用查找表会消耗大量内存。另一方面，在低成本的微控制器应用中，执行许多浮点计算会消耗大量的处理能力。MAX31856通过允许任何类型的转换方法提供灵活性。它具有一个内部查找表，提供线性化和冷端补偿的温度值，或者能够读取原始ADC结果，以便在微控制器固件中进行进一步处理和滤波。

总结

从热电偶获得高度精确的温度值需要仔细考虑许多因素。噪声、护套导电性和热结隔热的影响必须在热电偶施工和放置时妥善解决。必须对热电偶引线进行适当的屏蔽、射频滤波、去耦和串联电阻最小化，以正确处理相应的热电电压。一旦热电信号到达PCB或测量设备，精确的冷端补偿，线频率滤波，数字化和从电压到温度的转换对于减少测量误差至关重要。使用热电偶-数字转换器IC(如MAX31856)可以通过在单个IC中解决本应用说明中讨论的所有挑战，简化高精度热电偶电路的采集。

该应用说明的类似版本出现在2017年11月1日的《电力系统设计》上。