熱電偶用于廣泛的溫度檢測應用。熱電偶設計的最新發展，以及新的標準和算法，極大地擴展了其溫度范圍和精度。現在，在 -0°C 至 +1°C 的極寬范圍內可實現高達 ±270.1750°C 的精度。為了利用所有新的熱電偶功能，需要高分辨率熱電偶溫度測量系統。低噪聲、24位、三角積分模數轉換器（ADC）能夠分辨非常小的電壓，非常適合這項任務。當數據采集系統（DAS）將評估（EV）套件用于24位ADC時，可以在該寬溫度范圍內進行熱電偶溫度測量。當熱電偶、鉑電阻溫度檢測器（PRTD）和ADC集成在電路中時，它們可實現高性能溫度測量系統。基于 ADC 的 DAS 還可以設計為以非常合理的成本和低功耗運行，使其成為便攜式檢測應用的理想選擇。

熱電偶入門

托馬斯·塞貝克在1822年發現了熱電偶的原理。熱電偶是一種簡單的溫度測量裝置，由兩種不同金屬（金屬 1 和金屬 2）的結組成（圖 1）。塞貝克發現，不同的金屬會根據施加在它們身上的溫度梯度產生不同的電勢。如果這些金屬在溫度傳感結上焊接在一起（T六月，又稱熱結），其他差分未連接結（T冷，保持在恒定的參考溫度）將顯示電壓 V外，即與焊接結處的施加溫度成正比。這使得熱電偶成為不需要任何電壓或電流激勵的電壓/電荷產生裝置。

圖1.簡化的熱電偶電路

在外是溫差（T六月- 噸冷） 以及金屬 1 和金屬 2 中的金屬類型。此功能在美國國家標準與技術研究院 （NIST） ITS-90 熱電偶數據庫 1 中精確定義，適用于最實用的金屬 1 和金屬 2 組合。數據庫允許計算相對溫度，T六月，基于 V外測量值。但是，由于熱電偶測量T六月差分上，必須知道絕對冷端溫度（以°C、°F或K為單位）才能確定在熱端測量的實際溫度。所有基于熱電偶的現代系統都使用額外的絕對溫度傳感器（PRTD、硅傳感器等）來精確測量冷端的溫度，并在數學上補償差異。

圖1所示簡化熱電偶電路的溫度方程為：

Tabs = TJUNC + TCOLD （等式1）

其中：

Tabs是熱端的絕對溫度;

TJUNC是熱端與冷參考結的相對溫度;

TCOLD是參考冷端的絕對溫度。

熱電偶有十幾種，但某些特定材料對的不同金屬在某些工業或醫療條件下效果更好。這些金屬和/或合金的組合由NIST和國際電工委員會（IEC）標準化，縮寫為E，J，T，K，N，B，S，R等。NIST和IEC為每種流行的熱電偶類型提供熱電偶參考表。1

NIST和IEC還為每種類型的熱電偶開發了標準的數學模型。這些功率級數模型使用獨特的系數集，這些系數對于給定熱電偶類型中的不同溫度段而有所不同。1

表1列出了一些常見的常用熱電偶類型（J、K、E和S）的示例。

熱電偶類型	正極導體	負極導體	溫度范圍（°C）	+20°C 時的塞貝克系數
J	鉻合金	康銅	0 到 760	51μV/°C
K	鉻合金	阿魯梅爾	-200 至 +1370	41μV/°C
和	鉻合金	康銅	-100 至 +1000	62μV/°C
S	鉑（10%銠）	銠	0 到 1750	7μV/°C

J型熱電偶因其相對較高的塞貝克系數、高精度和低成本而被廣泛使用。這些熱電偶允許使用相對簡單的線性化計算算法進行高達±0.1°C的精度測量。

K型熱電偶在寬溫度范圍內的工業測量中非常受歡迎。這些熱電偶具有適度高的塞貝克系數、低成本和良好的抗氧化性。K 型可實現高達 ±0.1°C 的測量精度。

E型熱電偶不如其他熱電偶廣泛。然而，塞貝克系數在這個組中最高。E型熱電偶的測量需要的測量分辨率低于其他類型的熱電偶。E型允許測量精度高達±0.5°C，并且需要相對復雜的線性化計算算法。

S型熱電偶由鉑和銠組成，這種組合可以在氧化氣氛中的極高溫度下進行更穩定和可重復的測量。S型熱電偶的塞貝克系數低，成本相對較高。S型允許測量精度高達±1°C，并且需要相對復雜的線性化計算算法。

應用示例

熱電偶的電子接口由具有差分輸入的高分辨率ADC組成，并具有分辨小電壓的能力;穩定且低漂移的基準電壓源;以及一些準確測量冷端溫度的方法。

圖 2 詳細介紹了一個簡化的原理圖示例。MX7705 是一款 16 位三角積分 ADC，集成了一個內部可編程增益放大器 （PGA），無需外部精密放大器，并可解析來自熱電偶的微伏級電壓。冷端溫度由MAX6627遠端二極管傳感器和位于熱電偶連接器的外部二極管連接晶體管測量。MX7705 可以適應有限的負溫度范圍，其輸入共模范圍擴展至地電位以下 30mV。2

圖2.熱電偶測量電路。MX7705 測量熱電偶輸出;MAX6627和外部晶體管測量冷端溫度。MAX6002為MX2提供5.7705V精密電壓基準

特定應用的IC也可用于熱電偶信號調理。這些IC集成了本地溫度傳感器、精密放大器、ADC和基準電壓源。例如，MAX31855為冷端補償熱電偶數字轉換器，用于對來自K、J、N、T或E型熱電偶的信號進行數字化處理。MAX31855以14位（0.25°C）分辨率測量熱電偶溫度（圖3）。

圖3.具有集成冷端補償功能的ADC無需外部補償即可轉換熱電偶電壓

錯誤分析

冷端補償

熱電偶是差分傳感器，其中輸出電壓由熱結和冷結之間的溫差產生。根據上面的公式1，只有當參考冷端的絕對溫度（T裁判） 可以精確測量。

現代鉑RTD（PRTD）可用于參考冷端的絕對溫度測量。它在寬溫度范圍內以小尺寸、低功耗和非常合理的成本提供了良好的性能。

圖4為簡化原理圖，顯示精密DAS，使用MAX11200 24位Δ-Σ型ADC的評估（EV）板，允許熱電偶溫度測量。這里，R1 - PT1000（PTS 1206，1000Ω）用于冷端的絕對溫度測量。該解決方案允許以±0.30°C或更高的精度測量冷端溫度。3

圖4.簡化的熱電偶 DAS

如圖4所示，MAX11200的GPIO設置為控制精密多路復用器MAX4782，可選擇熱電偶或PRTD R1 - PT1000。這種方法允許使用單個ADC進行動態熱電偶或PRTD測量。該設計提高了系統精度并降低了校準要求。

非線性誤差

熱電偶是電壓發生裝置。但輸出電壓是最常見熱電偶溫度的函數2,4是高度非線性的。

圖4和圖5表明，如果沒有適當的補償，常用工業K型熱電偶的非線性誤差可能超過數十°C。

圖5.K型熱電偶的輸出電壓與溫度的關系。曲線在-50°C至+350°C范圍內具有合理的線性;它與絕對線性度明顯偏差 - 低于-50°C和高于+350°C。1

圖6.假設線性輸出為-50°C至+350°C，平均靈敏度為k = 41μV/°C，則與直線近似值的偏差。1

現代熱電偶標準，表格和公式，如NIST ITS-90熱電偶數據庫1被IEC采用，目前代表了系統之間熱電偶類型大量交換的基礎。這些標準使得用來自相同或不同制造商的熱電偶替換熱電偶變得容易，同時確保額定性能，只需對系統進行最少的重新設計或重新校準。

NIST ITS-90熱電偶數據庫提供了詳細的查找表。通過使用標準化多項式系數1，它還允許使用多項式方程在很寬的溫度范圍內將熱電偶電壓轉換為溫度（°C）。

根據NIST ITS-90熱電偶數據庫，多項式系數為：

T = d0+ d1E + d2和+...d2N和N（公式2）

其中：

T – 是以°C為單位的溫度;
E 是 VOUT - 熱電偶輸出，單位為 mV;
dN是每個熱電偶獨有的多項式系數;
N = 多項式的最大階數。
K型熱電偶的NIST（NBS）多項式系數如表2所示。

K型熱電偶系數
溫度范圍（°C）	-200 到 0	0 到 500	500 到 1372
電壓范圍（毫伏）	-5.891 到 0	0 至 20.644	20.644 至 54.886
系數
d0	0.0000000E+00	0.0000000E+00	-1.3180580E+02
d1	2.5173462E+01	2.5083550E+01	4.8302220E+01
d2	-1.1662878E+00	7.8601060E-02	-1.6460310E+00
d3	-1.0833638E+00	-2.5031310E-01	5.4647310E-02
d4	-8.9773540E-01	8.3152700E-02	-9.6507150E-04
d5	-3.7342377E-01	-1.2280340E-02	8.8021930E-06
d6	-8.6632643E-02	9.8040360E-04	-3.1108100E-08
d7	-1.0450598E-02	-4.4130300E-05	--
d8	-5.1920577E-04	1.0577340E-06	--
d9	--	-1.0527550E-08	--
誤差范圍（°C）	-.02 到 .04	-.05 到 .04	-.05 到 .06

表2顯示，多項式系數允許在-0°C至+1°C的溫度范圍內以優于±200.1372°C的溫度T計算精度。具有不同獨特系數的類似表格可用于大多數流行的熱電偶。1

當代 NIST ITS-90 系數適用于 -200°C 至 0、0 至 +500°C 和 +500°C 至 +1372°C 的溫度區間，允許以更高的精度計算溫度（低于 ±0.1°C 與 ±0.7°C）。這可以從與較舊的“單個”間隔表的比較中看出。2

模數轉換器特性/分析

表3給出了MAX11200的基本性能指標，如圖4所示。

-	MAX11200	評論
采樣率	10 到 120	MAX11200的可變過采樣率可以針對低噪聲和150Hz或50Hz時的-60dB線路噪聲抑制進行優化。
渠道	1	GPIO 允許外部多路復用器控制多通道測量。
INL（ppm，最大值）	±10	提供非常好的測量線性度。
失調誤差（μV）	±1	提供幾乎為零的偏移測量。
無噪聲分辨率（位）	19.0 在 120sps 時;19.5 在 60SPS 時;21.0 在 10SPS 時	非常高的動態范圍和低功耗。
VDD （V）	AVDD （2.7 至 3.6） DVDD （1.7 至 3.6）	AVDD 和 DVDD 系列涵蓋了業界流行的電源范圍。
ICC（μA，最大值）	300	業內最高的單位功率分辨率;便攜式應用的理想選擇。
通用信息總組織	是的	允許外部設備控制，包括本地多路復用器控制。
輸入范圍	0 至 V裁判， ±V裁判	寬輸入范圍
包	16 QSOP 10 微最大值（15 毫米2）?	MAX11202等型號采用10 μMAX封裝，尺寸非常小，適合空間受限的設計。

本文使用的MAX11200為低功耗、24位Δ-Σ型ADC，適用于要求寬動態范圍和高無噪聲位的低功耗應用。使用該ADC，可以使用公式3和3計算圖4電路的溫度分辨率：

等式3

等式4

其中：

Rtlsb是1 LSB的熱電偶分辨率;
RTNFR是熱電偶無噪聲分辨率（NFR）;
VREF是基準電壓;
Tzcmax是測量范圍內的最高熱電偶溫度;
Tcmin是測量范圍內的最低熱電偶溫度;
Vtmax是測量范圍內的最大熱電偶電壓;
Vtmin是測量范圍內的最小熱電偶電壓;
FS是雙極性配置（223-1）MAX11200的ADC滿量程代碼;
NFR是雙極性配置（220-1）MAX11200的ADC無噪聲分辨率，每秒10個采樣。

溫度范圍（°C）	-200 到 0	0 到 500	500 到 1372
電壓范圍（毫伏）	-5.891	20.644	34.242
Rtlsb 分辨率 （°C/LSB）	0.0121	0.0087	0.0091
RTNFR 分辨率 （°C/NFR）	0.0971	0.0693	0.0729

表4提供了每個溫度范圍的°C/LSB誤差和°C/NFR誤差的計算值。無噪聲分辨率（NFR）表示ADC可以可靠地區分的最低溫度值。對于所有溫度范圍，NFR值均低于0.1°C，這對于工業和醫療應用中的大多數熱電偶來說綽綽有余。

熱電偶與MAX11200評估板接口

MAX11200評估板5連接至差分評估板輸入A1。冷端溫度的絕對測量采用Maxim應用筆記4875中描述的高性價比比率法。3R1 （PT1000）的輸出連接到評估板輸入A0。MAX11200的GPIO設置為控制精密多路復用器MAX4782，動態選擇連接到MAX1輸入端的熱電偶或PRTD R11200輸出。

K型熱電偶（圖3、4）在-50°C至+350°C范圍內具有合理的線性。對于一些非關鍵應用，線性近似公式（公式5）可以大大減少計算量和復雜性。

近似絕對溫度可以計算為：

等式5

其中：

E是測得的熱電偶輸出，單位為mV;
標簽是K型熱電偶的絕對溫度，單位為°C;
Tcj是由PT1000測量的熱電偶冷端溫度（°C）;3
Ecj 是使用 Tcj 計算的冷端熱電偶等效輸出，單位為 mV。
因此：

k = 0.041mV/°C - -50°C 至 +350°C 的平均靈敏度

但是，為了在更寬的溫度范圍內（-270°C至+ 1372°C）進行精確測量，強烈建議使用多項式公式（公式2）和系數（根據NIST ITS-90）：

因此：

k = 0.041mV/°C - -50°C 至 +350°C 的平均靈敏度

但是，為了在更寬的溫度范圍內（-270°C至+ 1372°C）進行精確測量，強烈建議使用多項式公式（公式2）和系數（根據NIST ITS-90）：

Tabs = ?(E + Ecj)（等式 6）

其中：

標簽是K型熱電偶的絕對溫度，單位為°C;
E是測得的熱電偶輸出，單位為mV;
Ecj 是使用 Tcj 計算的冷端熱電偶等效輸出，單位為 mV;
f 是公式 2 中的多項式函數;
TCOLD是由PT1000測量的熱電偶冷端溫度（°C）。

圖 7 顯示了圖 4 的開發系統。該系統具有經過認證的精密校準器Fluke-724，可像溫度模擬器一樣用于替代K型OMEGA熱電偶。?

圖7.圖 4 的開發系統

Fluke-724 校準器為基于 PT200 的冷端補償模塊提供與 -1300°C 至 +1000°C 范圍內的 K 型熱電偶輸出相對應的精密電壓。基于MAX11200的DAS動態選擇熱電偶或PRTD測量，并通過USB端口將數據傳輸到筆記本電腦。專門開發的 DAS 軟件收集和處理熱電偶和 PT1000 輸出產生的數據。

表5列出了在-5°C至+6°C溫度范圍內使用公式200和1300進行的測量和計算。

溫度 （福祿克-724） （°C）	PT1000 代碼在“冷端”（LSB） 處測量	通過PT0測量（LSB）將熱電偶代碼調整至1000°C	溫度由公式6和表2計算（°C）	溫度誤差與校準器的關系 （°C）	溫度由“線性”公式計算 5 （°C）
-200	326576	-16463	-199.72	.28	-143.6
-100	326604	-9930	-99.92	.08	-86.62
-50	326570	-5274	-50.28	-.28	-46.01
0	326553	6	0.00	0.00	0.05
20	326590	2257	20.19	.19	19.68
100	326583	11460	100.02	0.02	99.96
200	326486	22779	200.18	.18	198.69
500	326414	57747	500.16	.16	503.7
1000	326520	115438	1000.18	.18	1006.92
1300	326544	146562	1300.09	.09	1278.40

如表5所示，通過使用公式6，基于MAX11200的DAS在很寬的溫度范圍內實現了±0.3°C的精度。公式5的線性近似在較窄的-1°C至+4°C溫度范圍內僅允許50°C至350°C的精度。

請注意，使用公式6需要相對復雜的線性化計算算法。

大約十年前，這種算法的實施可能會在 DAS 系統設計中同時受到技術和成本限制。當今的現代處理器可以快速、經濟高效地解決這些挑戰。

結論

近年來，基于熱電偶的高性價比溫度檢測測量已經發展起來，適用于-270°C至+1750°C的非常寬的溫度范圍。 溫度測量和范圍的改進伴隨著合理的成本和通常非常低的功耗。

如果ADC和熱電偶直接連接，這些基于熱電偶的溫度測量系統需要低噪聲ADC（如MAX11200）。當集成在電路中時，熱電偶、PRTD和ADC可提供高性能溫度測量系統，非常適合便攜式檢測應用。

高無噪聲分辨率、集成緩沖器和GPIO驅動器允許MAX11200直接與PT1000等任何傳統熱電偶和高分辨率PRTD接口，無需額外的儀表放大器或專用電流源。更少的布線和更低的熱誤差進一步降低了系統復雜性和成本，從而使設計人員能夠使用熱電偶和冷端補償模塊實現簡單的DAS接口。

審核編輯：郭婷