溫度測量中的熱電偶與冷端補償

電子發(fā)燒友網報道（文/李寧遠）溫度測量在任何系統(tǒng)設計里都是基礎且常見的測量指標，溫度作為許多終端設備里關鍵的數據，有不少測量辦法，可選擇的測量元件也是多種多樣。RTD、NTC、熱電偶都是溫度測量中具有代表性的選擇。在不同的系統(tǒng)設計中，需要根據所需的精度和測量的溫度范圍選取合適的溫度傳感方式，同時還要兼顧線性度、功耗、成本等各方面。

溫度傳感——熱電偶

不同的溫度傳感自有其優(yōu)缺點，一般來說，熱電偶是一種相對廉價的范圍廣泛的溫度傳感。它的小尺寸、極快速度以及其較低的輸出阻抗是相對具有優(yōu)勢的特性，而且它能夠測量極端溫度，這是很多溫度傳感的測量范圍不能覆蓋的。響應快是因為熱電偶的熱容量很低，尤其在感應接合點裸露時，熱電偶可在數百毫秒內對溫度變化做出響應。同時熱電偶固有的電壓輸出也消除了對激勵電源的需要，這也大大降低了器件本身的自發(fā)熱。

熱電偶，TE

另一方面，熱電偶的相比其他溫度傳感的劣勢也不少，低電平輸出、靈敏度差和非線性是大家選擇熱電偶時會額外關注的幾點。低電平輸出意味著需要穩(wěn)定的信號調節(jié)組件，否則整個測溫系統(tǒng)的精度難以達到預期。熱電偶系統(tǒng)中組件的連接必須要非常小心，意外的熱電偶效應（例如，焊料和銅產生3μV/℃熱電偶）會使整個“端到端”系統(tǒng)的精確度很難達到理想的標準精度。

即便信號調節(jié)得很好，沒有引入額外的誤差，由于熱電偶本身的金屬特性，內部的不精確性也是無法消除的。一般來說，熱電偶測量精度只能達到參考接合點溫度的測量精度，也就是1℃到2℃左右。而且當熱電偶測量毫伏級信號變化時，也很容易受到雜散電場和磁場產生的噪聲影響。

熱電偶的冷端補償

冷端補償，談及熱電偶時不可能繞開的一點，熱電偶想要達到理想的精度就必須采用冷端補償為其提供誤差修正。只有知道準確測得冷端溫度，才能測量出熱電偶測量端溫度并提高標裝置的準確度。

使用恒溫法做冷端補償雖然足夠精確，但只適合實驗室測量，在大多數實際應用中將熱電偶的參考接合點放置在冰浴中這種操作多少有點不切實際。因此在實際應用中大多會選擇冷接合點補償技術來做冷端補償。這種方法需要一個額外的溫度傳感器來測量參考點溫度，通常會選擇RTD、NTC或者集成的溫度獨立IC。不同的傳感器選擇都會有所限制，比如使用RTD測量會很精準但在尺寸和成本上偏高，使用NTC響應非?？斓侨菀灼啤?br />
還可以使用控制冷卻補償器的辦法來以電子模擬冰浴，冷結補償器電路并不保持一個穩(wěn)定的溫度，而是跟蹤冷結。這種跟蹤與保持冷結恒溫具有相同的效果，但實現起來更簡單，它在預期的冷結溫度范圍內可以以斜率表示熱電偶的輸出。

冷結補償器，ADI

這種冷結補償器IC需要有較低的供電電流來將自加熱最小化，確保自身可以與冷結處于等溫下運行。冷結補償器內特殊的曲率校正電路用于匹配所有熱電偶輸出中出現的“彎曲部分”，從而在較寬的溫度范圍內保持準確的冷結點補償。

熱電偶相關注意事項

熱電偶線路經常暴露在靜態(tài)和意外的高壓下，需要電路保護。增加的串聯電阻可以作為一種保護手段，但是需要評估組件對熱電偶總體精度的影響，特別是當使用大電流限制電阻時。同樣，集成電路偏置電流與高值保護電阻相結合能很好地保護熱電偶電路，但也會產生明顯的測量誤差。保護與精度的權衡，這就需要結合實際應用折中考慮了。

另一方面，因為熱電偶能覆蓋很廣的極端溫度，有些應用里熱電偶就會面臨在高共模電壓下連續(xù)工作的情況，并有伴隨嚴重的噪聲問題，尤其是工業(yè)環(huán)境。在這種條件下，就需要對熱電偶和信號調節(jié)電路進行電流隔離。