熱電偶是一種常見類型的溫度傳感器，用于從實驗室測試臺到工業環境的各種應用。然而，對于許多類型的傳感器通常也是這種情況，使用熱電偶獲取準確數據可能具有挑戰性。本應用指南介紹了如何構建熱電偶以及它們如何工作的物理背景，提供了一種有助于讀者提高讀數準確性的理解。

    如何創建熱電偶：

    形成“熱”和“冷”結的兩個不同導體的組合產生熱電偶（圖1）。在不同溫度下維持兩個結產生電動勢（EMF），也稱為熱電電壓。EMF以毫伏范圍測量，并且是稱為塞貝克效應的物理現象的產物，其描述了由熱電偶材料產生的電壓以及熱接點和冷接點之間的溫差。

圖： 基本的熱電偶

    等式1提供了塞貝克效應的線性近似。

    ΔV= S×（T h - T c） （等式1）

    ΔV：兩種不同金屬之間的電壓差

    S：以V / K表示的塞貝克系數（通常以μV/°C為單位）

    T h - T c：冷端和冷端之間的溫差

    塞貝克系數特定于用于構造熱電偶的兩個導體。它對溫度具有非線性依賴性。使用塞貝克效應的線性近似會產生顯著的測量誤差。現代熱電偶測量技術應考慮這種非線性。重要的是要理解溫度測量不能僅由熱電偶產生的EMF確定。相反，必須知道以下三個參數：

    由熱和冷結之間的熱梯度引起的熱電電壓；

    熱電偶類型；

    冷結溫度。

    如果這些變量中的任何一個未知，則無法確定熱電偶感應結處的溫度。 公式2顯示了用于測量熱電偶熱結溫度的更新計算，并考慮了上述參數：

    公式02b。 （等式2）

    T h：熱結溫度，單位為°C

    T c：冷結溫度，單位為°C

    a（T c）：塞貝克系數是T c的函數，單位為μV/°C

    影響熱電偶讀數準確度的因素：

    牢記基本原理可以更容易地理解可能影響熱電偶測量精度的因素。利用上述三個必要參數，從熱電偶產生熱結溫度測量相對容易。然而，用于獲取這些參數的方法可能會在測量中引入不準確性。以下因素可能會影響不同測量階段的溫度讀數，并且會有不同程度的影響：

    熱電偶特性；

    冷結測量；

    嘈雜的環境；

    線性化。

    熱電偶特性

    有時，熱電偶本身的問題會導致讀數不準確。這些問題可能來自熱電偶老化時發生的損壞。需要注意的一些常見問題包括：熱結熱/電連接不良 -如果兩個導??體在熱結處沒有正確連接在一起，則可能產生錯誤的熱電電壓。裸線結，絕緣結和接地結是熱電偶中最常見的熱結類型。它們將在下面進一步描述：

    裸線熱電偶 -兩根引線可以不同方式連接在一起。引線可以絞合在一起，焊接在一起或焊接在一起。對于機械振動過大的應用，不建議將引線絞合在一起。對于高溫應用，由于焊料回流的可能性，結不應焊接在一起。冷焊引線通常是最佳選擇。

    絕緣結 -基于結的結構，與裸線型熱電偶相比，絕緣結更具機械堅固性和耐腐蝕性。然而，因為沒有金屬表面直接暴露于測量溫度，所以熱結的熱阻增加。這會降低熱電偶對溫度變化的響應速度。因此，在需要對溫度變化做出快速響應的地方，不建議使用絕緣接頭。在某些情況下，慢響應可能是有利的，因為它有助于濾除“噪聲”。對于導熱系數低的材料（對于某些氣體來說常見），不推薦使用絕緣結。

    接地連接點 - 結構類似于絕緣結熱電偶的結構，其附加特征是結與保護套電連接。雖然結構類型機械堅固并且防止腐蝕，但由于與保護套的金屬連接（由于護套的熱質量，它們仍然可能很慢），因此接地結的響應時間比絕緣結更快。但是，由于熱電偶的尖端直接焊接到保護套上，因此整個表面都很容易受到影響。如果護套與電信號接觸，則會使來自熱電偶的EMF信號不可靠。這種副作用通常被忽略，使用接地連接的應用需要仔細規劃。另一個重要的考慮因素是“接地”護套的電位可能與系統地電位的mV或甚至V不同。通常，需要隔離信號調理電路的電源。

    沿熱電偶線路的串聯電阻 -由于熱電偶是導體，導體或連接電路中的寄生電阻可能會影響信號。如果引線太長或太薄，則總串聯電阻可能在EMF到達冷端之前導致信號劣化。解決此問題的一種方法是使用稱為“延伸等級”的特殊類型的熱電偶線，其設計用于將熱電電路承載更長的距離。

    用于構造熱電偶的低等級材料 - 一些較便宜的熱電偶由低冶金級配材料制成。使用這些材料可能導致結構中的雜質不同地影響每批金屬，產生可變的塞貝克系數。

    沿著引線長度的電隔離問題 -如果使用錯誤類型的絕緣或劣質絕緣來分離熱電偶的兩個引線，則可能出現幾個問題。在高溫應用中，如果使用非耐溫類型的絕緣材料，絕緣層會熔化，導致暴露在引線上。絕緣部分的斷裂也可能暴露熱電偶引線。一旦熱電偶引線暴露于元件，它們可能會腐蝕，導致短路或線路故障，或將其他電信號引入線路。正極和負極引線也可能短路在一起，這會產生過早的熱結，仍然會給出錯誤位置的溫度讀數。

    熱電偶類型 -每種熱電偶類型都有指定的溫度測量范圍。給定的熱電偶必須能夠承受其應用的環境條件。K型熱電偶具有廣泛的操作和廉價的結構，是一些最常用的類型。某些熱電偶解決方案僅適用于給定的熱電偶類型。MAX31856等集成解決方案可配置為支持所有常見的熱電偶類型。

    上面的列表提供了一些常見問題，這些問題可能導致基于熱電偶選擇的精度損失。但是，即使選擇了良好的熱電偶，也無法防止某些錯誤。

    測量冷結溫度

    使用熱電偶獲得熱結溫時，實現精確的冷端溫度測量至關重要。為了保持一致且已知的0°C溫度，傳統的冷端將在冰冷的水浴中冷卻（因此稱為“冷端”）。現代熱電偶數字IC采用冷端補償，通過計算和溫度測量來補償冷端溫度的影響。溫度傳感器通常用于測量冷端溫度。

    當使用人工冷端補償時，準確性的一個重要考慮因素是將溫度傳感器盡可能靠近真正的冷端。另外，請確保冷端和測量IC的溫度相同。一種方法是通過最大化兩個裝置之間的導熱性并使它們遠離任何熱源。無論熱電偶引線是直接焊接到電路板還是通過接線端子連接，最小化引線和溫度傳感器之間的熱梯度都可以提高所有溫度讀數的準確度。