熱電偶應(yīng)用中冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

　　因?yàn)闊犭娕际遣罘譁囟葴y量器件，在處理熱電偶信號(hào)時(shí)以冷結(jié)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，考慮到非零攝氏度冷結(jié)點(diǎn)的電壓，必須對(duì)熱電偶輸出電壓進(jìn)行冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。本文比較了幾種冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償器件，并以硅溫度傳感器檢測IC為例介紹了三種應(yīng)用設(shè)計(jì)方法和測量的結(jié)果。

　　溫度測量應(yīng)用中有多種類型的傳感器，熱電偶是zui常用的一種，可廣泛用于汽車、家庭等。與電阻式溫度檢測器（RTD）、熱電調(diào)節(jié)器、溫度檢測集成電路（IC）相比，熱電偶能夠檢測更寬的溫度范圍，具有較高的性價(jià)比。另外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應(yīng)時(shí)間使其成為各種工作環(huán)境下的。當(dāng)然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如線性特性較差。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可以很理想地用于測量系統(tǒng)。熱電偶信號(hào)電平很低，常常需要放大或高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。如果排除上述問題，熱電偶的低價(jià)位、易使用、寬溫度范圍可以使其得到廣泛使用。

熱電偶與冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償

　　熱電偶是差分溫度測量器件，由兩段不同的金屬線構(gòu)成，一段用作正結(jié)點(diǎn)，另一段用作負(fù)結(jié)點(diǎn)。表1列出了四種zui常用的熱電偶類型、所用金屬以及對(duì)應(yīng)的溫度測量范圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，如圖1a所示，環(huán)路電壓是兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)。這利用了Seebeck效應(yīng)，通常描述為熱能轉(zhuǎn)換為電能的過程。Seebeck效應(yīng)與Peltier效應(yīng)相反，Peltier效應(yīng)為電能轉(zhuǎn)換成熱能的過程，典型應(yīng)用有熱電致冷器。如圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測結(jié)點(diǎn)（熱結(jié)點(diǎn)）結(jié)電壓與參考結(jié)點(diǎn)（冷結(jié)點(diǎn)）結(jié)電壓之差。因?yàn)閂H和VC是由兩個(gè)結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數(shù)。比例因數(shù)α對(duì)應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。

　　圖1b所示是一種zui常見的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬（中間金屬）和兩個(gè)額外的結(jié)點(diǎn)。本例中，每個(gè)開路結(jié)點(diǎn)與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個(gè)額外結(jié)點(diǎn)，只要這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度相同，中間金屬（銅）不會(huì)影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨(dú)立參考結(jié)點(diǎn)的條件下使用。VOUT仍然是熱結(jié)點(diǎn)與冷結(jié)點(diǎn)溫差的函數(shù)，與Seebeck系數(shù)有關(guān)。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結(jié)點(diǎn)的實(shí)際溫度，冷結(jié)點(diǎn)溫度必須是已知的。冷結(jié)點(diǎn)溫度為0℃（冰點(diǎn)）時(shí)是一種zui簡單的情況，如果TC=0℃，則VOUT=VH。這種情況下，熱結(jié)點(diǎn)測量電壓是結(jié)點(diǎn)溫度的直接轉(zhuǎn)換值。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）提供了各種類型熱電偶的電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系的查找表，所有數(shù)據(jù)均基于0℃冷結(jié)點(diǎn)溫度。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過查找適當(dāng)表格中的VH可以確定熱結(jié)點(diǎn)溫度。

　　在熱電偶應(yīng)用初期，冰點(diǎn)被當(dāng)作熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)參考點(diǎn)，但在大多數(shù)應(yīng)用中獲得一個(gè)冰點(diǎn)參考溫度不太現(xiàn)實(shí)。如果冷結(jié)點(diǎn)溫度不是0℃，那么，為了確定實(shí)際熱結(jié)點(diǎn)溫度必須已知冷結(jié)點(diǎn)溫度。考慮到非零冷結(jié)點(diǎn)溫度的電壓，必須對(duì)熱電偶輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償，即所謂的冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。

圖1：a. 環(huán)路電壓由熱電偶兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的溫差產(chǎn)生。b. 常見的熱電偶配置由兩條金屬線連接在一結(jié)點(diǎn)，每條線的開路結(jié)點(diǎn)與銅恒溫線連接。

圖2：本地溫度檢測IC（MAX6610）確定冷結(jié)點(diǎn)溫度。熱電偶和冷結(jié)點(diǎn)溫度傳感器輸出電壓由16位ADC（MAX7705）轉(zhuǎn)換。

圖3：遠(yuǎn)結(jié)點(diǎn)二極管靠近冷結(jié)點(diǎn)安裝檢測溫度。MAX6002為ADC提供2.5V基準(zhǔn)電壓。

圖4：集成了冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償?shù)腁DC，將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換為溫度，無需外部元件

選擇冷結(jié)點(diǎn)結(jié)溫測量器件

　　為了實(shí)現(xiàn)冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償，必須確定冷結(jié)點(diǎn)溫度，這可以通過任何類型的溫度檢測器件實(shí)現(xiàn)。在通用的溫度傳感器IC、熱電調(diào)節(jié)器和RTD中，不同類型的器件具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。對(duì)于精度要求非常高的應(yīng)用，經(jīng)過校準(zhǔn)的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)保持較高精度，但其成本很高。精度要求不是很高時(shí)，采用熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性價(jià)比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測溫范圍，而溫度傳感器IC具有更高的線性度，因而性能指標(biāo)更好一些。修正熱敏電阻的非線性會(huì)占用較多的微控制器資源。溫度感應(yīng)IC具有出色的線性度，但測溫范圍很窄。

　　因此，必須根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求選擇冷結(jié)點(diǎn)溫度測量器件，需要仔細(xì)考慮精度、溫度范圍、成本和線性指標(biāo)，以便得到*的性價(jià)比。