热电耦定义及应用介绍

本应用笔记介绍了热电耦定义，并解释了它的历史来源。本文介绍的电路在靠近温度传感器的位置对热电偶输出进行数字转换，与在数字化之前使弱信号通过长电缆传输的方案相比，该方案能够将噪声降至最低。

热电偶因为其高测量精度、价格经济、容易获得以及较宽的温度测量范围等特点而在工业领域得到普遍应用。它由焊接在一起的两种不同的金属或金属合金线(通常称为热端)组成。热电偶输出电压是两个线端(另一端通常称为冷端)的电压差，冷端必须保持在已知温度。热电偶电压是Seebeck (1921年左右)、Peltier (1834年左右)和Thompson (1851年左右)效应的结合产物。

热端和冷端这两个名词源于应用历史。事实上，根据具体应用，冷端温度也有可能高于热端。这种情况下，热电偶输出相反极性的电压。由此可见，热电偶测量的是热端与冷端温度之差，而非冷端的绝对温度。

不同金属或合金热电偶对应的输出电压已经制作成标准表格¹。用大写字母表示标准金属对，例如，K代表镍镉合金热电偶，表中列出的数据假设冷端温度为0°C。

为了获得热端的绝对温度，必须测量冷端温度并相应调整热电偶输出。这种技术称为冷端补偿。19世纪中期，当热电偶刚刚开始使用时，绝对温度测量需要将冷端保持在冰和蒸馏水混合达到平衡后的温度，以建立一个真正的0°C参考点。

热电偶温度传感器需要使用与热电偶导线相同材料的特殊电缆和连接器。因此，市场上提供的各种封装、体积和种类的商用化热电偶同时也给出完整的电缆、连接器和配件选型^2,3。

冷端等温线位于热电偶信号处理模块的输入端，通常安装在高热导率材料制成的底板上。铜的热导率为381W/m°K (无论摄氏度，还是开尔文温度，每度都具有相同幅度的变化)。输入连接必须是电气隔离，但需要与底板保持导热。理想情况下，整个信号处理模块应该保持在同等温度环境。

信号处理电路由低压直流放大器(热电偶信号范围为µV/°C)、温度传感器、冷端补偿电路、内置基准ADC、热电偶开路检测器、报警指示和数字输出接口组成。所有这些功能都集成在小尺寸IC内，例如：MAX6674和MAX6675，只需要外部连接热电偶和电源。串口输出代表热电偶检测点温度的数据。

MAX6674/MAX6675内部热电偶数字转换电路与镍镉合金(K型)热电偶成比例。MAX6674测量范围为0至+128°C，分辨率为0.125°C；MAX6675测量范围为0至1024°C，分辨率为0.25°C。两款IC均通过SPI™兼容接口与微控制器或类似的本地智能电路连接。如果检测点距离控制器较远，应在检测点附近对热电偶信号进行数字化处理。

与其它低压电路相同，热电偶信号处理电路对EMI非常敏感。热电偶引线通常暴露在EMI环境中(引线拾取的干扰噪声等级与引线长度成正比)。EMI增大了接收信号的不确定性，降低温度测量的精度。对于这种环境，使用特殊的热电偶连接电缆价格昂贵，如果选用其它电缆则很难确定实际环境的测试温度。

为了使噪声降至最小，可以在检测点附近采用一个控制电路，靠近检测点增加一个远端控制电路以提供本地智能化管理，引入复杂信号的滤波和电缆屏蔽。图1提供了一个较好的设计方案，在靠近检测点的位置对热电偶输出进行数字化。


图1. 在3000英尺电缆的远端提供电源，MAX6674/MAX6675在靠近检测点的位置量化热电偶输出，使EMI降至最小。

通过本地脉冲时序发生器(IC2和IC3)驱动MAX6674/MAX6675的SPI接口，IC2、IC3强制MAX6674/MAX6675以4800波特率、每秒钟四个字符产生异步串行输出数据，字符结构为：1位起始位、11位数据和1位停止位(MAX6675采用13位数据位)。对于MAX6674，11位数据包括10位表示温度数据的直接二进制数(MSB在前)、1位热电偶开路报警位，MAX6675提供12位数据和1位报警。

稳定的晶体振荡器确保精确的数据传输波特率。为保证正确的电路操作，热电偶检测点必须与电路保持电气隔离，MAX6674/MAX6675必须在任何时间保持在-20°C至+85°C工作温度范围内。

电路通过双绞线连接远端电源和数据接收器，通过双绞线电缆为电路供电并将数据传输到数据接收端。温度测量由MAX6674/MAX6675的内部10位ADC实现，并将数据串行发送到电缆上。图2所示温度数据由MAX6674产生，并通过3000英尺的双绞电缆传输量化后的数据。这些数据表明热电偶处于较好的工作状态，测量温度为21.875°C。


图2. 在图1的数据接收器A、B端接收到的串行数据字，数据代表电缆另一端的热电偶测量温度为21.875°C。