溫度是測量最頻繁的物理參數。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據。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、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。
熱電偶環路
兩根異質金屬導線兩頭相連便構成基本的熱電偶環路(參見圖1a)。此環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，僅在實驗室環境可行。在量產環境中，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路的直接連接（參見圖1c）。依據中間金屬法則，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控基準結點溫度，并在內部求和結點為熱電偶環路增加適當的電壓。此凈電壓接著放大至10mV/℃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
熱電偶的塞貝克系數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隨溫度的變化。圖3提供了各種熱電偶的塞貝克系數曲線圖。
圖3. 塞貝克系數與溫度的關系
熱電偶類型
一般用于區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，AD594也可調理E型熱電偶，如AD594/AD595數據手冊中所示。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優化性能
用AD594或AD595實現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，導致輸出端出現錯誤讀數。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尖峰。
圖6. 通過濾波、補償和接地減少誤差
擴展環境溫度誤差計算
AD594/AD595的額定環境工作溫度范圍為0至50℃，以便將熱電偶非線性(變化塞貝克系數)相關誤差降至最小，并優化25℃環境的精度。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定性誤差限制內。表II提供了與商用、工業、和擴展環境工作溫度范圍相關的最大計算誤差列表。環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
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，增益和失調調節相互獨立。)
2. 針對3.481V(AD594)或4.451V(AD595)的峰峰值輸出調節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ROFFSET，直至輸出讀數為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/℃。無論并聯連接任何數量的熱電偶-電阻對，AD594/AD595仍可提供正確的冷結補償。300Ω串聯電阻可將熱電偶支路間的循環電流降至最低。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。
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據采集系統(參見圖10)所需的AD594/AD595數目減至最少。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監控4個溫度(AD7507允許監控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點的負輸入)便可實現。
失調電壓(摘自AD594/AD595數據手冊中的表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
當在高噪聲環境下發送信號時，最好傳輸電流而不是電壓。圖12顯示的是發送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
