溫度是測量最頻繁的物理參數(shù)。不過，溫度測量技術卻被嚴重誤解，通常會導致高度不精確或無意義的數(shù)據(jù)。本應用筆記旨在澄清部分常見誤解，并提供一些有趣和實用的電路解決方案。
溫度傳感器技術
目前最常用的電子溫度測量器件包括熱電偶、電阻式溫度檢測器(RTD)、熱敏電阻和集成電路溫度傳感器。這些器件各有相關應用優(yōu)勢和局限，如表1所述。
表1. 傳感器比較
熱電偶特性
熱電偶是使用最廣泛的儀器儀表溫度傳感器。因此，(美國)國家標準局(NBS)已經廣泛表征各種金屬組合，即J型(鐵-康銅)、K型(鎳鉻-鎳鋁)、E型(鎳鉻-康銅)和T型(銅-康銅)。熱電偶質量包括固有精度、寬溫度范圍、快速熱響應、耐用性、低成本、可重復性和應用多功能性。除廣泛使用外，熱電偶也是誤解最多的溫度傳感器。冷結補償、塞貝克系數(shù)、等溫連接或模塊等等術語已經攪得許多用戶暈頭轉向。本應用筆記解釋了這些術語，并提供信息來幫助讀者精確、輕松地測量溫度。
熱電偶環(huán)路
兩根異質金屬導線兩頭相連便構成基本的熱電偶環(huán)路(參見圖1a)。此環(huán)路產生的電壓與兩結點間的溫度差異成正比。由于熱電偶基本上是差分溫度測量器件，測量單一溫度時需要得知結點之一(基準結點)的溫度。熱電偶使用者依賴各種技術來確定和補償基準或“冷”結溫度。
圖1a. 熱電偶環(huán)路
冰點基準
所有熱電偶(如NBS表格所列)的電壓輸出以0℃為基準。這意味著僅在基準結點保持在0℃時熱電偶兩端的電壓才對應于測量結點的溫度。這可以用圖1b所示的冰點單元和“冰池”來完成。不幸的是，這些方法笨拙、昂貴，僅在實驗室環(huán)境可行。在量產環(huán)境中，將基準結點維持在0℃不切實際。
圖1b. 冰點基準
中間金屬法則
實際操作中，為了避免明顯基準結點（如圖1a所示），實施等效于基本熱電偶環(huán)路的直接連接（參見圖1c）。依據(jù)中間金屬法則，只要連接具有相同溫度，連接到熱電偶兩種不同金屬的第三種金屬（大多數(shù)情況為銅）對輸出電壓無任何影響。
圖1c. “間接”基準結點
實用熱電偶測量
在量產環(huán)境中，可對基準結點形成的電壓進行冰點補償。這可以借助向熱電偶環(huán)路增加電壓的電路來完成，電壓等于基準結點電壓但方向相反（參見圖1d）。
圖1d. 冷結補償
AD594/AD595正是包含此功能的器件。框圖和基本連接如圖2所示。內部冰點補償模塊監(jiān)控基準結點溫度，并在內部求和結點為熱電偶環(huán)路增加適當?shù)碾妷骸４藘綦妷航又糯笾?0mV/℃的標稱輸出。AD594經工廠校準用于J型熱電偶，而AD595設置用于K型。
圖2. AD594/AD595框圖
塞貝克系數(shù)
熱電偶的塞貝克系數(shù)定義為給定溫度下熱電壓相對于溫度的變化速率，通常用μV/℃表示。熱電偶非線性表示為此系數(shù)隨溫度的變化。圖3提供了各種熱電偶的塞貝克系數(shù)曲線圖。
圖3. 塞貝克系數(shù)與溫度的關系
熱電偶類型
一般用于區(qū)分熱電偶類型的兩個特性是靈敏度和操作溫度范圍。圖4中的曲線圖針對某些常見金屬組合描述上述特性。
雖然經工廠校準用于調理J型熱電偶，利用簡單的外部調節(jié)，AD594也可調理E型熱電偶，如AD594/AD595數(shù)據(jù)手冊中所示。校準用于K型熱電偶的AD595也可直接連接到T型熱電偶，且附加誤差小于0.2℃。
圖4. 熱電偶輸出與溫度的關系
利用AD594/AD595優(yōu)化性能
用AD594或AD595實現(xiàn)完整額定精度需要遵循以下設計原則：
1. 冷結誤差
AD594/AD595采用片內冷結補償。為使此功能發(fā)揮作用，器件必須保持在與熱電偶冷結相同的溫度下。避免其他元件或熱源直接接觸AD594/AD595，否則散熱可能導致冷結補償相關誤差。(AD594/AD595僅吸收160μA靜態(tài)電源電流；這可以最大程度地減少自熱相關誤差。)
2. 電路板布局
圖5所示的印刷電路板連接布局(具有可選校準電阻)在冷結與AD594/AD595間提供了熱均衡。這里器件與電路板在引腳1和14下通過銅印刷電路板走線進行熱接觸。基準結點現(xiàn)由銅-康銅(或銅-鎳鋁)連接和銅-鐵(或銅-鎳鉻)連接構成，兩者均保持在與AD594/AD595相同的溫度下。
圖5. PCB連接
3. 焊接
為確保安全焊接并將I × R壓降降至最低，應在焊接前清潔熱電偶導線以消除氧化。非腐蝕性焊劑對于鐵、康銅、鎳鉻和鎳鋁及以下焊料有效：95%錫-5%銻、95%錫-5%銀或90%錫-10%鉛。
4. 接地考量
AD594/AD595輸入級的晶體管需要偏置電流從熱電偶輸入流至地面。如果未提供此路徑，這些電流將迫使輸入級中斷，導致輸出端出現(xiàn)錯誤讀數(shù)。為提供返回路徑，應使用直接接地連接。
5. 將噪聲降至最小
引腳9、10以及10、11間的補償電容可最大程度地降低熱電偶所拾取的高頻噪聲的放大。圖6所示值在60Hz下提供零值，但會增加電路響應時間。
為避免接地線路中的I × R壓降，所有接地點應直接連接到中央點。結合0.1μF電容的100Ω電阻可過濾掉電源線路上的紋波和瞬態(tài)尖峰。
圖6. 通過濾波、補償和接地減少誤差
擴展環(huán)境溫度誤差計算
AD594/AD595的額定環(huán)境工作溫度范圍為0至50℃，以便將熱電偶非線性(變化塞貝克系數(shù))相關誤差降至最小，并優(yōu)化25℃環(huán)境的精度。AD594/AD595冰點補償電壓為線性，且匹配熱電偶輸出在0至50℃范圍內的最佳擬合直線。在此范圍以外，熱電偶與補償電壓間的偏差會越來越明顯。這意味著雖然AD594/AD595在額定溫度范圍以外可以正常工作，但可能無法保持在額定溫度穩(wěn)定性誤差限制內。表II提供了與商用、工業(yè)、和擴展環(huán)境工作溫度范圍相關的最大計算誤差列表。環(huán)境溫度指的是器件和基準結點。測量結點可處于熱電偶額定限制內的任何溫度。
表II. 各種環(huán)境溫度下的最大計算誤差
電路概念
可選調整方案
圖7中的電路將AD594/AD595的殘留校準誤差歸零。通過向-T(引腳5)注入對應于大約-3℃失調的電流，15MΩ電阻確保失調為負。調整
電位器(RCAL)允許向+T(引腳3)注入平衡電流，從而將“強制”負失調調整至零值。利用此電路，可以通過單次單向調整將任何校準誤差歸零。
圖7. 校準誤差調節(jié)
華氏輸出
圖8說明了允許用戶直接讀取10mV/°F電壓輸出的電路。溫標轉換公式：
華氏度= (9/5)(攝氏度)+ 32
完全實施于硬件中。注入引腳3的200nA/℃電流產生32°F失調，同時輸出端電阻網絡將增益增加9/5。
為了校準輸出：
1. 移除熱電偶，向引腳1和14輸入10mV p-p、100Hz的交流信號。(利用交流激勵，增益和失調調節(jié)相互獨立。)
2. 針對3.481V(AD594)或4.451V(AD595)的峰峰值輸出調節(jié)RGAIN。
3. 將0°C冰池或冰點單元內的熱電偶重新連接到引腳1和14。
4. 調節(jié)ROFFSET，直至輸出讀數(shù)為320mV。
在熱電偶處于0℃時進行調整，AD594/AD595華氏輸出的理想傳遞函數(shù)為：
AD594輸出=(J型電壓 + 919μV)× 348.12
AD595輸出=(K型電壓 + 719μV) × 445.14。
圖8. °C至°F轉換
直接平均溫度
平均溫度可直接用單個AD594/AD595來測量，器件配置如圖9所示。此電路的輸出等于(T1+T2 + T3+ ... TN)/N(單位為°C)乘以標稱10mV/℃。無論并聯(lián)連接任何數(shù)量的熱電偶-電阻對，AD594/AD595仍可提供正確的冷結補償。300Ω串聯(lián)電阻可將熱電偶支路間的循環(huán)電流降至最低。溫度低于/高于均值時，這些電阻將給熱電偶帶來正/負平衡壓降。該電路也可為溫度梯度顯著的物體生成精確平均讀數(shù)。
圖9. 測量平均溫度
溫度多路復用
多路復用熱電偶信號可將較大溫度測量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(參見圖10)所需的AD594/AD595數(shù)目減至最少。此技術也有另一重要功能：將多個基準結點連接從端子板組件轉換至AD594/AD595上的單一結點。
通過在AD594/AD595下方放置熱電偶(熱觸點內)并返回等溫連接器，可以有效地消除在等溫模塊生成的基準結點電壓。對于給定的多路復用器ON位置，康銅(鎳鋁)-銅結點與銅-康銅(鎳鋁)結點串聯(lián)地構成相等但方向相反的電壓。也就是說，由于模塊等溫，V1 = V2。類似的邏輯可應用于鐵(鎳鉻)-銅結點。
由于這些消除措施，AD594/AD595內置的冷結補償器現(xiàn)在可補償IC正下方的熱電偶。因此，端子板可位于任何遠程位置。不過，AD594/ AD595和連接的熱電偶應保持在0至50℃范圍內。
使用AD7502，可通過單個AD594/AD595監(jiān)控4個溫度(AD7507允許監(jiān)控8個溫度)。熱電偶導線約有一半可通過使用單端多路復用器消除，不過系統(tǒng)將更易受共模噪聲影響。
圖10. 多路復用熱電偶
失調和改變增益
圖11所示電路起兩種作用：1)允許用戶向AD594/AD595添加失調以轉換輸出，從而在任何溫度下讀取到0 V(即抑制零)，以及2)改變AD594/AD595增益，產生不同的輸出靈敏度(熱電偶每度變化的輸出電壓變化)。
圖11. 零抑制和靈敏度變化
轉換輸出以在非0℃溫度下讀取0 V通過向反饋電阻(引腳8)施加失調電壓(從而施加于右側放大器連接到求和節(jié)點的負輸入)便可實現(xiàn)。
失調電壓(摘自AD594/AD595數(shù)據(jù)手冊中的表I輸出列)將零電壓輸出調換為施加電壓的等效溫度。靈敏度可通過用較大/較小外部電阻取代內部反饋電阻來提高/降低。計算新反饋電阻值的一種方法是：
1. 決定所需輸出靈敏度(單位為mV/℃)。
2. 決定溫度范圍T1至T2。
3. 在該溫度范圍上計算平均熱電偶靈敏度；(Vε1 - Vε2)/(T1- T2)。
4. 用所需靈敏度除以平均熱電偶靈敏度：(1)結果 ÷ (3)計算值。此值即為AD594/AD595的新增益(GNEW)。如果計算過程無誤，結果應無量綱。
5. 測量實際反饋電阻(引腳8至引腳5)。
6.
注意：AD595使用247.3代替193.4。
7. 新反饋電阻REXTERNAL = (GNEW~1)(RINTERNAL) =((4)結果-1)((6)結果)
利用該技術，可以用5 V電源和100mV/℃輸出測量300至330℃的溫度范圍，從0 V輸出、300℃開始。可使用4.1V齊納二極管和電阻分壓器抑制零值。
電流模式傳輸
當在高噪聲環(huán)境下發(fā)送信號時，最好傳輸電流而不是電壓。圖12顯示的是發(fā)送AD594/AD595輸出信號作為電流，然后在控制點將電流轉換回電壓的方法。
圖12. 遠程溫度測量
此電路中，引腳9的反饋電壓迫使RSENS兩端的電壓等于熱電偶電壓。正確選擇RSENS(AD594為5.11Ω，AD595為4.02Ω)便可生成10μA/℃電流。由于RSENSE兩端電壓等于熱電偶電壓，基準結點電壓出現(xiàn)在AD594/AD595輸入兩端。放大器+ A驅動2N2222
晶體管的基極，從而將輸出電壓轉換為電流。
由于160μA靜態(tài)電流流經RSENS，不會產生任何誤差。然而，這意味著可測量的最小溫度為16℃。電路精度取決于初始AD594/AD595校準誤差以及RSENS與測量點上1 kΩ電流至電壓轉換電阻間
