简述集成运放的热电偶测温电路

沈洋

【摘要】本文介绍了热电偶基本知识，重点简述了K型热电偶测温原理以及利用集成运算放大器构成测温电路的测温实验过程。

【关键词】热电偶;测温;集成运放

1.热电偶简介

热电温度记录仪常以热电偶作为测温元件，它广泛用来测量-200℃-1300℃范围内的温度，特殊情况下，可测至 2800 ℃的高温或 4K 的低温。它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制、以及对温度信号的放大变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。在接触式测温法中，热电温度计的应用最普遍。

K型热电偶作为一种温度传感器，K型热电偶通常和显示仪表，记录仪表和电子调节器配套使用。K型热电偶可以直接测量各种生产中从0℃到1300℃范围的液体蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

K型热电偶通常由感温元件、安装固定装置和接线盒等主要部件组成。它是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其他热电偶的总和。K型热电偶丝直径一般为1.2～4.0mm。具有线性度好，热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点，能用于氧化性惰性气氛中广泛为用户所采用。K型热电偶不能直接在高温下用于硫，还原性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛。

2.热电偶测温原理

1823年塞贝克（Seebeck）发现，在两种不同的金属所组成的闭合回路中，当两接触处的温度不同时，回路中就要产生热电势，称为塞贝克电势。

图1 热电偶原理图

如图1所示，两种不同材料的导体A和B，一端温度为T0，另外一端温度为T（设T>T0），这时在这个回路中将产生一个与温度T 、T0以及导体材料性质相关的电势EAB（T，T0），显然可以利用这个热电效应来测量温度。在测量技术中，把由两种不同材料构成的上述热电变换元件称为热电偶。A、B导体称为热电极，两个接点，一个为热端（T），又称为测量端;另一个为冷端（T0）又称为参比端。

热电偶的热电势EAB（T，T0）是由帕尔贴电势（接触电势）和汤姆逊电势（温差电势）合成的。接触电势是指两种不同的导体或半导体在接触处产生的电势，此电势与两种导体或半导体的性质及在接触点的温度有关。而温差电势是由于两热电极两端温度不同产生的电势。

热电偶的热电势EAB（T，T0）大小与热电极直径、长度及沿热电极长度上的温度分布无关，只与热电极材料和两端温度有关。热电偶回路中插入其它导体或电路时，不会影响原来热电势的大小。

熱电偶根据制造材料不同和测温范围不同，可分为K、E、J、T、B、R、S型，其中K型热电偶线性度较好。表1所示为K型热电偶的分度表。

从表1中可以观察到当冷端和热端温差为0℃时，冷端输出热电势为0mV，当温差为100℃时，输出热电势为4.096mV，当温差为200℃时，输出热电势为8.138mV，当温差为400℃时，输出热电势为16.397mV，输出的热电势与温差基本是线性关系的。根据热电偶的中间温度定理，当冷端和热端温度分别为T和0时，而T0是它们的中间温度，那么热电势EAB（T，0）可写成EAB（T，T0）加上EAB（T0，0），即：

EAB（T，0）=EAB（T，T0）+EAB（T0，0）    （1）

通常冷端在实验室环境中，用T0表示实验室温度，设为20℃，那么（1）式可写成：

EAB（T，0）=EAB（T，20）+EAB（20，0）    （2）

根据热电势与温差之间的线性关系，可写出：

T=ΔT+20                        （3）

即测量点的绝对温度等于测量点与冷端的温度差ΔT加上冷端的温度（实验室温度），通常可用温度计测量实验室温度。我们把以上提到的测温方法称为冷端温度修正法，主要应用在冷端所处温度基本不变的前提下，如实验室环境下。当冷端温度不稳定时，通常采用冷端温度自动补偿法，需要在电路中加入冷端补偿电路。

3.集成运算放大器构成的热电偶测温电路

由于热电偶输出的热电势数值很小，可经过同相比例放大电路将输出电压放大，而且可让输出的电压值与温度差能够对应上，可设计出图2所示的电路。

图2 运算放大器构成的热电偶测温电路

K型热电偶两端温差为0℃时，即两端同时在实验室环境中时，产生的热电动势为0mV，温差为100℃时产生的热电动势为4.096mV。若调节RP使电路的放大倍数为244倍，则热电偶在0-100℃范围内的输出电压为0.00-1.00V，灵敏度为10mV/℃。这样，1.00V可读成100℃，那么0.80V对应就是80℃，0.12V对应就是12℃。需要说明的是，该电路测量的只是冷端与热端的温度差，温度差加上实验室的环境温度才是测量的实际温度。