熱電偶――每一個(gè)模擬設(shè)計(jì)人員都應(yīng)該熟知的組件

或許您從來(lái)都沒有使用過(guò)熱電偶，假設(shè)您沒有必要知道其工作原理，但我不同意這一觀點(diǎn)。我相信花上十分鐘閱讀相關(guān)資料是非常值得的。如果您已經(jīng)非常熟悉其工作原理了，那么在我做錯(cuò)的時(shí)候請(qǐng)告知我。

熱電偶是由兩種不同金屬制成的溫度測(cè)量傳感器。它們有可能是銅制的或鐵制的，也可能是由特殊的金屬混合物制成的。不同金屬材質(zhì)的兩根導(dǎo)線在一個(gè)結(jié)點(diǎn)處相連接(這給我們提供了第一個(gè)重要的點(diǎn))——在節(jié)點(diǎn)處沒有電壓，這和您要連接的任何兩根導(dǎo)線一樣，在連接處不會(huì)產(chǎn)生電壓。

現(xiàn)在我們知道了：當(dāng)導(dǎo)體的一端與其另一端的溫度不一樣時(shí)，在導(dǎo)線的兩端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。沒錯(cuò)這是真的!無(wú)論該導(dǎo)線的電阻如何其只表現(xiàn)為電壓而沒有電流流動(dòng)——這就是塞貝克效應(yīng)。如果我們使用兩種不同的金屬，那么將會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同的電壓，并且二者的電壓差可以在開路末端測(cè)量到，請(qǐng)參見圖 1。請(qǐng)注意，如果您想測(cè)量出相同金屬單根導(dǎo)線的絕對(duì)塞貝克電壓， 那么您所測(cè)量的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生相相同的電壓，測(cè)量值為零。您只能測(cè)量不同導(dǎo)線對(duì)之間的差。

在完成該測(cè)量過(guò)程中，您需要在測(cè)量端創(chuàng)建一個(gè)或兩個(gè)以上的結(jié)點(diǎn)(如果兩根導(dǎo)線都不是銅導(dǎo)線的話就要?jiǎng)?chuàng)建兩個(gè)結(jié)點(diǎn))。我們稱之為冷結(jié)點(diǎn)，這是因?yàn)橐话愣?并非經(jīng)常)在進(jìn)行測(cè)量的一端的溫度比沒有進(jìn)行測(cè)量的那一端的溫度會(huì)高些。

熱電偶只測(cè)量溫差。請(qǐng)注意，在圖 1 中您測(cè)量了兩種示例情況下的相同電壓。熱結(jié)點(diǎn)和冷結(jié)點(diǎn)間 100°C 的溫差將產(chǎn)生 4.1mV 的電壓。獲取熱端絕對(duì)溫度測(cè)量的老式方法是將冷結(jié)點(diǎn)浸入一個(gè)冰冷的水中(這是被稱作冷結(jié)點(diǎn)的另一個(gè)原因)。已發(fā)布的熱電偶參數(shù)表假設(shè)冷結(jié)點(diǎn)為 0°C。

如果您想知道熱結(jié)點(diǎn)的絕對(duì)溫度但不想用冷水浸沒法的話，您就必須要知道冷結(jié)點(diǎn)的溫度。該測(cè)量可以使用諸如 TMP20 或ADS1118 (與A/D轉(zhuǎn)換器配合)、thermistor、RTD或其他可以測(cè)量絕對(duì)溫度(而非相對(duì)溫度)的半導(dǎo)體傳感器完成。根據(jù)測(cè)量的冷結(jié)點(diǎn)溫度(請(qǐng)參見圖 2)一個(gè)與熱電偶系數(shù)相同的電壓被加了進(jìn)來(lái)。這一工作可以以模擬形式完成也可以以數(shù)字形式完成，稱為冷結(jié)點(diǎn)補(bǔ)償。如果冷結(jié)點(diǎn)為0°C，那么這一合計(jì)的結(jié)果就是將會(huì)產(chǎn)生的電壓。

如果在冷結(jié)點(diǎn)處您需要一個(gè)絕對(duì)溫度傳感器，為什么不只使用該傳感器來(lái)測(cè)量熱端呢?熱電偶可以測(cè)量很寬泛的溫度范圍：低溫度測(cè)量到高達(dá) 1800°C 以上的高溫測(cè)量，具體取決于不同的類型。這或許會(huì)有其他好處，具體取決于應(yīng)用。

如果所有導(dǎo)線都產(chǎn)生相同的電壓，為什么在我們的電路中不能屢屢看到該效應(yīng)呢?在電子應(yīng)用的正常溫度下，電壓很低并且我們通常使用相同或具有相對(duì)低塞貝克系數(shù)的相似的導(dǎo)體。當(dāng)我們使用不同金屬時(shí)，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度通常會(huì)是一樣的。

如果您要測(cè)量微小的 DC 電壓，則您需要特別小心。例如，我們測(cè)量高精度斬波放大器的失調(diào)電壓時(shí)，我們就必須要選擇我們諸如連接器的組件和材料，并精心布線。機(jī)械布局必須假設(shè)不同導(dǎo)體的結(jié)溫與其他導(dǎo)體相近并且為熱耦。我們使用鎖存繼電器以最小化熱量并保持其他熱源不成為低電平電路。正確測(cè)量一些微電壓是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，且附帶的熱電偶通常是準(zhǔn)確度的最終極限。