热电偶是一种常见的温度传感器类型，用于从实验室测验台到工业的各种运用 环境。可是，与许多类型的传感器相同，运用热电偶获取准确的数据 或许具有应战性。本运用笔记探讨了热电偶的结构及其作业原理背面的物理原理。 供给一种了解，这将有助于读者进步阅览的准确性。
构成“热”和“冷”结的两个不同导体的组合会发生热电偶（图 1）。 将两个结保持在不同的温度下会发生电动势（EMF），也称为 热电电压。EMF在毫伏规模内丈量，是一种称为 塞贝克效应，描绘由热电偶资料发生的电压以及热结和冷结之间的温差。
塞贝克系数特定于用于构建热电偶的两个导体。它有一个 非线性对温度的依赖性。运用塞贝克效应的线性近似能够发生重要的丈量成果 过错。现代热电偶丈量技能应考虑到这种非线性。重要的是 了解温度丈量不能仅依据热电偶发生的EMF来确认。相反 有必要知道以下三个参数：
假如这些变量中的任何一个不知道，则无法确认热电偶检测结处的温度。 公式2显现了在考虑上述参数的状况下丈量热电偶热端温度的更新核算：
紧记基础知识能够更简单了解或许影响热电偶精度的要素 丈量。有了上面说到的三个必要参数，发生热结相对简单 热电偶的温度丈量。可是，获取这些参数的办法或许会引进 丈量不准确。以下要素或许会影响不同阶段的温度读数 丈量和不同程度：
有时，热电偶自身的问题会导致读数不准确。这些问题或许来自损坏 跟着热电偶年纪的添加而发生。需求留意的一些常见问题包含：
热结热/电气衔接不良—假如两者，或许会发生过错的热电电压 导体在热端未正确衔接在一同。裸线结、绝缘结和 接地结是热电偶中最常见的热结类型。下文将进一步阐明它们：
裸线热电偶—两根引线能够以不同的办法衔接在一同。引线能够扭在一同，焊接 一同，或焊接在一同。关于机械振动过大的运用，将引线扭在一同不是 引荐。关于高温运用，不应将结焊接在一同，因为或许会 焊料回流。冷焊引线在一同一般是最佳挑选。
绝缘结点 - 根据结点的结构，绝缘结点在机械上更巩固，而且 与裸线型热电偶比较耐腐蚀。可是，因为没有直接的金属外表 露出在丈量温度下，热端的热阻添加。这会减慢 热电偶对温度改变的呼应。因而，在需求快速呼应温度的当地 替换，不主张运用绝缘衔接。在某些状况下，呼应缓慢或许是有利的，因为它有助于 过滤掉“噪音”。关于导热系数低的资料，也不主张运用绝缘液络部（如 常见于某些气体）。
接地结—结构类似于绝缘结热电偶的结构，具有衔接点电衔接到保护护套的附加功用。虽然结构类型机械巩固并可避免腐蚀，但因为与保护护套的金属衔接，接地结的呼应时间比绝缘结快（虽然因为护套的热质量，它们依然或许很慢）。可是，因为热电偶的顶级直接焊接在保护护套上，因而整个外表都简单遭到影响。假如护套与电信号触摸，将使来自热电偶的EMF信号不可靠。这种副作用一般被忽视，关于运用接地结的运用，需求细心规划。另一个重要的考虑要素是，“接地”护套的电位能够是mV乃至V，与体系接地电位不同。一般，信号调度电路的电源需求阻隔。
沿热电偶线路的串联电阻—因为热电偶是导体，导体或衔接电路中的寄生电阻或许会影响信号。假如引线太长或太细，则在EMF抵达冷结之前，总串联电阻或许会导致信号衰减。处理此问题的一种办法是运用一种称为“扩展级”的特别类型的热电偶线，该线旨在将热电电路承载更长的间隔。
用于构建热电偶的等级低资料—一些更廉价的热电偶由低冶金级度资料制成。运用这种资料或许会导致结构中的杂质对每批金属发生不同的影响，然后发生可变的塞贝克系数。
引线长度的电气阻隔问题—假如运用过错类型的绝缘或残次绝缘来别离热电偶的两根引线，或许会呈现几个问题。在高温运用中，假如运用非耐温类型的绝缘，绝缘会熔化，导致露出在引线中。绝缘部分的开裂也或许露出热电偶引线。一旦热电偶引线露出在元件中，它们或许会腐蚀，导致短路或线路毛病，或将其他电信号引进线路。正极和负极引线也有或许短路在一同，这将发生过早的热结，依然供给过错方位的温度读数。
热电偶类型—每种热电偶类型都有指定的温度丈量规模。给定的热电偶有必要 能够接受即将运用的环境条件。具有广泛的操作规模和 结构廉价的K型热电偶是一些最常用的类型。一些热电偶处理计划 仅适用于给定的热电偶类型。MAX31856等集成计划可装备，支撑一切 常见的热电偶类型。
上面的列表供给了一些常见问题，这些问题或许导致根据挑选的准确性下降 热电偶。可是，即便挑选了杰出的热电偶，也无法避免一些过错。
当运用热电偶推导热结温度时，完成准确的冷端至关重要 测温。为了保持一致且已知的0°C温度，传统的冷端将是 在严寒的水浴中冷却（因而得名“冷结”）。现代热电偶数字IC，如MAX31856 冷端补偿，经过核算和温度补偿冷端温度的影响 丈量。温度传感器一般用于丈量冷端温度。
运用人工冷端补偿时，精度的一个重要考虑要素是放置温度 传感器尽或许接近真实的冷端。此外，请保证冷端和丈量IC坐落 相同的温度。一种办法是最大化两个设备之间的导热系数并放置它们 远离任何热源。热电偶引线是直接焊接到电路板上仍是经过端子衔接 模块，最小化引线和温度传感器之间的热梯度，进步一切温度的精度 读数。
因为热电偶发生的信号十分小，因而热电偶丈量简单遭到来自 噪声。磁通量的差异或沿引线长度的电磁搅扰 （EMI） 露出状况能够 在热电偶信号中发生噪声。热电偶一般用于工业环境，这些环境是普遍存在的当地。 有机会将噪声引进信号中。一个常见的噪声源是由磁场的 60Hz或50Hz线路噪声的磁通差，详细取决于国家/区域。这些场感应电流 沿着热电偶的引线，并或许在信号中引进差错。为了处理这个问题，MAX31856等IC完成了 规划包含内部滤波器，具有可装备的陷波频率，频率为 50Hz 或 60Hz。运用内部过滤器 电路中，感应到来自市电工频的信号中的搅扰能够降到最低。
关于更高的频率，能够运用铁氧体磁珠和差分滤波器来下降耦合到热电偶中的噪声 导致。在正极和负极引线nF差分电容器，接近人工冷 结点有助于减轻热电偶线路中引起的一些噪声。在噪声较高的运用中 电平，尤其是高强度RF场，应在每根引线nf电容器。
电源耦合噪声或许呈现在热电偶丈量中。为了将此类噪声的影响降至最低，0.1μF的噪声 陶瓷旁路电容器能够放置在尽或许接近 DVDD 和 AVDD 引脚和 GND 的方位。这样做有助于避免 电源电压尖峰会影响温度转化。图2所示为典型运用电路 用于MAX31856热电偶检测IC，热电偶输入端运用滤波电容。此外 尽或许歪曲热电偶线可避免电容耦合噪声显现为差分噪声 电压项。
如前所述，任何热电偶类型的塞贝克系数都取决于热电偶的温度， 它发生了电压到温度的非线性传递函数。美国国家标准与技能研究院 （NIST） 保护一个已发布的电压到温度转化数据库，用于校准和测验每个 热电偶类型。该数据库包含几种不同的转化办法。一种办法是电压-温度 查找表，将差分热电电压映射到整个温度规模内的温度值 每种热电偶类型（假定冷端在0°C）。另一种办法是一系列 9千- 或 10千-次第 用于将电压转化为温度或温度转化为电压的多项式方程。
在大多数运用中，在ADC对原始热电偶电压进行数字化处理后，有必要将ADC输出代码转化为 温度读数，经过查找表或多个浮点核算。运用查找表 较大的温度规模会耗费很多内存。另一方面，履行许多浮点核算 在低成本微控制器运用中耗费很多处理才能。MAX31856供给灵活性 经过答应任一类型的转化办法。它具有一个内部查找表，可供给线性化和 冷端补偿温度读数，或能够回读原始ADC成果以进行进一步处理 微控制器固件中的滤波。
从热电偶取得高精度的温度读数需求细心考虑许多要素。这 在以下状况下，有必要正确处理热端的噪声、护套电导率和隔热性的影响 履行热电偶结构和放置。恰当的屏蔽、射频滤波、去耦和串联电阻 有必要最小化热电偶引线以正确处理相应的热电电压。一次 热电信号抵达PCB或丈量设备，准确的冷端补偿，线路频率 从电压到温度的滤波、数字化和转化关于削减丈量差错至关重要。运用 热电偶数字转化器IC（如MAX31856）能够简化高精度热电偶的收集 经过在单个IC中处理本运用笔记中评论的一切应战来读取读数。
