热电偶、热电效应与工作原理

热电偶是一种通过将两种不同金属的端点连接形成闭合回路的温度传感器，利用热电效应来实现温度测量。热电效应的逆效应表明，当给一段金属丝的两端施加不同温度时，回路中会产生电动势并形成电流。通过在冷端设定已知温度点并测量两端的电势差，可以结合两种金属材料的特性，完成对被测端温度的换算与校准，从而得到目标温度。

热电偶的分类与标准

按照国际标准体系，中国在统一设计型热电偶中采用S、R、B、K、J、T、N、E等八种型号。不同型号所使用的金属材料不同，成本与性能也各有差异。贵金属含量较高的S、R、B型号价格较高，常用于高温高精度场景；相对经济的K、T、J、N、E型号更适合广泛应用。

高温高精度的S、R、B型

- S、R、B型热电偶的长期最高使用温度极高，具备极高的准确度、稳定性与较宽的测温区间，且在氧化性或惰性气氛中表现优越。这些型号的热电势稳定性以及在高温下的抗氧化性能较好，适用于苛刻环境。

- 其中，S型曾作为国际温标的参考仪器之一，尽管ITS-90不再作为温标内插仪器，但仍可用于近似实现国际温标的温度定义。R型的综合性能与S型相近；B型在特性上与S、R相似，但不宜在还原性气氛或存在金属蒸气的气氛中使用。B、S、R型在0~50°C范围内的热电势较小，因此不需要额外补偿线也具优势，但在其他方面仍需注意。

- 缺点在于热电势量级较小、价格较高且在高温时可能受污染影响而降低精度，因此往往需要额外的保护与维护。

中端与经济型的K、N、E、J、T型

- 这些型号的测温范围、灵敏度与成本之间存在取舍。K型因材料成本低、应用广泛而广受欢迎，但在高温区和特定气氛下需关注信号稳定性与腐蚀性；N型通过材料改良克服了K型在中高温段的热电势不稳定问题；E、J、T型在特定温区和介质中表现优越，但需根据具体工况选择。

- N型在300~500°C区间的热电势稳定性改进以及在800°C附近的氧化稳定性提升，使其成为K型的有力替代。

热电偶的优缺点

优点

- 量程宽，覆盖从低温到极高温的广泛区间，通常可覆盖–200°C至上千摄氏度，具体取决于材料。

- 结构坚固，耐用，抗冲击和振动，适合恶劣环境。

- 响应速度快，体积小、热容量低，温度变化时能快速输出信号。

- 无自加热风险，无外部供电即可工作，使用安全性较高。VSport

缺点

- 信号调理复杂：热电势需要经过放大与线性化等信号处理，若处理不当易引入误差。

- 精度相对有限，通常受限于参考端温度的测量精度，常见在1°C~2°C量级。

- 容易受腐蚀与污染影响，需要保护与维护以维持长期稳定性。

- 抗干扰能力较弱，毫伏级信号易受电场、磁场等干扰。常通过屏蔽、金属管路及滤波实现抑制。

热电偶与热电阻的选择要素

- 测量温度范围：通常超过500°C时优先考虑热电偶，低于此温度区间则结合具体工况选择。

- 测量目标：热电偶多用于点温测量，热电阻更适合对空间温度进行分布性测量。

- 冷端补偿的需求：热电效应需要额外的冷端温度参考点来进行温度偏差校正。

冷端补偿的常见传感器

- 热敏电阻：响应快、体积小，但线性度与高温范围受限，易产生自热，适合低成本、对精度要求不高的场景。

- RTD（电阻温度探测器）：相比热敏电阻，精度与稳定性更好，线性更优，但成本与体积较高，需要稳定的激励源与采样电路，常用于对系统精度要求较高的场景。

- 集成式温度传感器：通过半导体工艺实现，内部模拟单元数字化输出，集成度高、易实现高精度，外围电路简单，适用于高精度热电偶采集系统的冷端补偿，设计最为简单。

集成式传感器与前端方案

- ADT7320：ADI的高精度数字温度传感器，采用16位ADC，分辨率可达0.0078°C，内部温度传感器在全额定温度范围内具有较高精度与线性度，无需额外校正；具备过温报警、中断信号等安全功能，便于与MCU直接对接。

- AD849x 系列热电偶放大器：专为热电偶信号调理设计，具有ESD与过压保护、良好的共模抑制，输出与热电偶结温成线性关系，便于实现低成本前端放大。

- AD7124 系列与 LTC298X：作为高集成前端，提供多路热电偶/热电阻测量方案。AD7124-4/AD7124-8 集成了24位ADC、内部MUX、PGA、REF等，适合直接接入热电偶与热阻测量；LTC298X 系列具备广泛的传感器输入、内置激励源、故障检测等功能，支持多路输入并实现冷端补偿与线性化。

对比与选型要点

- 精度与通道数：AD7124-4/AD7124-8 提供高精度与不同路数选择，LTC298X 提供更多通道与灵活性，适合大规模多点测量场景；成本与系统校准工作量需权衡。

- 温度范围与应用场景：高温应用倾向S/R/B等高端型号，低成本通用场景偏向K/J/T/N等型号。

- 冷端补偿方式：可选集成式温度传感器、RTD或其他前端实现，需综合考虑整体系统的精度、成本与设计复杂度。

- 信号完整性与抗干扰：对现场环境的电磁干扰、静电放电与过压保护有高要求时，应选用具备前端保护与共模抑制能力的方案，并采用合适的屏蔽与布线策略。

典型系统设计要点

- 热电偶为基于绝对温度的测量，需要稳定的基准电压源及冷端补偿策略，确保测量误差在可控范围内。

- 采用多线RTD进行冷端补偿可提升系统稳定性，但需设计稳健的驱动与采样电路以避免漂移与热系数的影响。

- 根据应用场景选取合适的前端芯片组合，确保高分辨率、低噪声、良好线性度，并结合所需的输入通道数量进行系统规划。

- 在高精度要求场景中，集成化前端如ADT7320、AD7124、LTC298X等方案可显著简化板级设计、提升稳定性与可重复性。

总结

针对热电偶温度采集，可以选用专业、可靠且灵活的前端方案来实现高精度的冷端补偿与温度测量。通过合适的前端放大、模数转换与信号处理，结合正确的冷端补偿策略，可以在广泛的工业温度区间内实现稳定、可追溯的温度测量结果。