熱電偶電路的應用

WRA4815CS-1W
WRA4815P-1W

SIP
DIP

說明：

1）IAxxxxx-1W為定電壓高隔離穩壓正負輸出系列產品；
2）WRAxxxxx-1W為寬電壓隔離穩壓正負輸出系列產品；
3）對于要求更高隔離的場合，可選擇3000VDC或6000VDC的產品（E、IE、G及WRE等系列）。

• 以上電路是以ISO100放大器的工作電壓為±15V作出的，如工作電壓為±5、±12等，只要選擇相應輸出電壓的模塊即可，如果要求功耗較大，可選擇3W、5W、及10W的產品；
• 對于DC/DC電源模塊的詳細應用及注意事項可參考相關產品的詳細技術資料；

引言：由于熱電偶是差分溫度測量器件，在處理熱電偶信號時以冷結點作為參考點，考慮到非零攝氏度冷結點的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行冷結點補償。本文比較了幾種冷結點補償器件，并以硅溫度傳感器檢測IC為例介紹了三種應用設計方法和測量的結果。

溫度測量應用中有多種類型的傳感器，熱電偶是最常用的一種，可廣泛用于汽車、家庭等。與電阻式溫度檢測器(RTD)、熱電調節器、溫度檢測集成電路(IC)相比，熱電偶能夠檢測更寬的溫度范圍，具有較高的性價比。另外，熱電偶的魯棒性、可靠性和快速響應時間使其成為各種工作環境下的首選。當然，熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如線性特性較差。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可以很理想地用于精確測量系統。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高分辨率數據轉換器進行處理。如果排除上述問題，熱電偶的低價位、易使用、寬溫度范圍可以使其得到廣泛使用。

熱電偶與冷結點補償

熱電偶是差分溫度測量器件，由兩段不同的金屬線構成，一段用作正結點，另一段用作負結點。表1列出了四種最常用的熱電偶類型、所用金屬以及對應的溫度測量范圍。熱電偶的兩種不同金屬線焊接在一起后形成兩個結點，如圖1a所示，環路電壓是兩個結點溫差的函數。這利用了Seebeck效應，通常描述為熱能轉換為電能的過程。Seebeck效應與Peltier效應相反，Peltier效應為電能轉換成熱能的過程，典型應用有熱電致冷器。如圖1a所示，測量電壓V_OUT是檢測結點(熱結點)結電壓與參考結點(冷結點)結電壓之差。因為V_H和V_C是由兩個結的溫度差產生的，V_OUT也是溫差的函數。比例因數α對應于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數。

圖1b所示是一種最常見的熱電偶應用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的結點。本例中，每個開路結點與銅線電氣連接，這些連線為系統增加了兩個額外結點，只要這兩個結點溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨立參考結點的條件下使用。V_OUT仍然是熱結點與冷結點溫差的函數，與Seebeck系數有關。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱結點的實際溫度，冷結點溫度必須是已知的。冷結點溫度為0℃(冰點)時是一種最簡單的情況，如果T_C=0℃，則V_OUT=V_H。這種情況下，熱結點測量電壓是結點溫度的直接轉換值。美國國家標準局(NBS)提供了各種類型熱電偶的電壓特征數據與溫度對應關系的查找表，所有數據均基于0℃冷結點溫度。利用冰點作為參考點，通過查找適當表格中的V_H可以確定熱結點溫度。

在熱電偶應用初期，冰點被當作熱電偶的標準參考點，但在大多數應用中獲得一個冰點參考溫度不太現實。如果冷結點溫度不是0℃，那么，為了確定實際熱結點溫度必須已知冷結點溫度。考慮到非零冷結點溫度的電壓，必須對熱電偶輸出電壓進行補償，即所謂的冷結點補償。