全面剖析热电耦工作原理

作者：Bruce Trump，德州仪器 (TI)

或许您从来都没有使用过热电耦，假设您没有必要知道其工作原理，但我不同意这一观点。我相信花上十分钟阅读相关资料是非常值得的。如果您已经非常熟悉其工作原理了，那么在我做错的时候请告知我。

热电耦是由两种不同金属制成的温度测量传感器。它们有可能是铜制的或铁制的，也可能是由特殊的金属混合物制成的。不同金属材质的两根导线在一个结点处相连接（这给我们提供了第一个重要的点）——在节点处没有电压，这和您要连接的任何两根导线一样，在连接处不会产生电压。

现在我们知道了：当导体的一端与其另一端的温度不一样时，在导线的两端就会产生一个电压。没错这是真的！无论该导线的电阻如何其只表现为电压而没有电流流动——这就是塞贝克效应。如果我们使用两种不同的金属，那么将会产生两个不同的电压，并且二者的电压差可以在开路末端测量到，请参见图 1。请注意，如果您想测量出相同金属单根导线的绝对塞贝克电压，那么您所测量的导线会产生相相同的电压，测量值为零。您只能测量不同导线对之间的差。

在完成该测量过程中，您需要在测量端创建一个或两个以上的结点（如果两根导线都不是铜导线的话就要创建两个结点）。我们称之为冷结点，这是因为一般而言（并非经常）在进行测量的一端的温度比没有进行测量的那一端的温度会高些。

热电耦只测量温差。请注意，在图 1 中您测量了两种示例情况下的相同电压。热结点和冷结点间 100°C 的温差将产生 4.1mV 的电压。获取热端绝对温度测量的老式方法是将冷结点浸入一个冰冷的水中（这是被称作冷结点的另一个原因）。已发布的热电耦参数表假设冷结点为 0°C。

如果您想知道热结点的绝对温度但不想用冷水浸没法的话，您就必须要知道冷结点的温度。该测量可以使用诸如 TMP20 或 ADS1118（与A/D转换器配合）、thermistor、RTD或其他可以测量绝对温度（而非相对温度）的半导体传感器完成。根据测量的冷结点温度（请参见图 2）一个与热电耦系数相同的电压被加了进来。这一工作可以以模拟形式完成也可以以数字形式完成，称为冷结点补偿。如果冷结点为 0°C，那么这一合计的结果就是将会产生的电压。

如果在冷结点处您需要一个绝对温度传感器，为什么不只使用该传感器来测量热端呢？热电耦可以测量很宽泛的温度范围：低温度测量到高达 1800°C 以上的高温测量，具体取决于不同的类型。这或许会有其他好处，具体取决于应用。

如果所有导线都产生相同的电压，为什么在我们的电路中不能屡屡看到该效应呢？在电子应用的正常温度下，电压很低并且我们通常使用相同或具有相对低塞贝克系数的相似的导体。当我们使用不同金属时，两个结点的温度通常会是一样的。

如果您要测量微小的 DC 电压，则您需要特别小心。例如，我们测量高精度斩波放大器的失调电压时，我们就必须要选择我们诸如连接器的组件和材料，并精心布线。机械布局必须假设不同导体的结温与其他导体相近并且为热耦。我们使用锁存继电器以最小化热量并保持其他热源不成为低电平电路。正确测量一些微电压是一项复杂的工作，且附带的热电耦通常是准确度的最终极限。

编辑：jq