热电偶测温原理及冷端温度补偿方法
热电偶测温原理及冷端温度补偿方法
院系：化工学院化机系
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热电偶测温原理及冷端温度补偿方法
热电偶温度计是以热电效应为基础的测温仪表，温精确度高，显示仪表配合，广泛用来测量气体、蒸汽、液体等介质－200℃～16000℃范围内的温度，殊情况下可测－2700℃～28000℃，态响应快，惯性小，械强度高，压性能好，高温可达28000℃，震性能好，且便于信号的远距离传送和实现多点切换测量，自动记录和集中控制，能稳定、测量精度高、准确可靠、使用寿命长、结构简单、制造容易、装配简单、更换方便和使用维护方便，测量范围广，可作为标准计量，量值传递之用，以在科学研究和工业生产中应用广泛，为测温仪表，建筑环境与设备工程中应用也非常广泛。
热电偶测温的测温系统的热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成。测温原理基于物理学中“热电效应”现象，是把任意两种不同的导体（或半导体）连接成闭合回路，果两个接点的温度不同，回路中就会产生热电势，热电流，就是“热电效应”。热电偶温度计就是利用该原理，两种不同的金属材料一端焊接而成的，接的一端叫测量端（也叫热端或工作端），未焊接的一端叫参考端（也叫冷端或自由端），如果参考端的温度恒定不变，热电势的大小和方向就只与这两种材料的特性和测量端的温度有关，热电势和温度之间有一个固定的函数关系，用这个关系，要测量出热电势的大小，配以测量毫伏级电势信号的仪表或变送器就实现了温度的测量或温度信号的变换。
在进行温度测量时，热电偶热端插入被测温的设备或管道中，其热端感受被测介质的温度，冷端置于恒定的温度之下，用连接导线连接电气测量仪表。根据热电偶基本定律之一的中间导体定律，热电偶回路中接入第三种金属材料时，要该材料两个接点的温
度相同，电偶所产生的热电势将保持不变，不受第三种金属接入回路中的影响。因此，热电偶测温时，接入测量仪表，得热电动势后，可知道被测介质的温度。
热电偶测温系统的冷端温度补偿方法：由热电偶测温原理可知，电势的大小与热电偶两端的温度有关。只有当热电偶冷端温度保持不变时，电势才是被测温度的单值函数。因此，准确地测量温度，须使其参考端温度恒定，电偶冷端最好应保持0℃，般固定在0℃，在现场条件下使用的仪表则难以实现，此必须对其参考端进行温度补偿修正，确保温度测量的准确性。
工业上常用的各种热电偶的温度———热电势关系曲线（或数据）是在冷端温度为0℃时得到的，它配套的仪表也是依据这一关系进行刻度的。但在实际应用中，冷端温度往往高于0℃，不稳定，环境温度变化而改变，使热电偶产生的热电势偏小并随之变化，而造成测量误差引入。因此，热电偶参考端温度不为0℃，是一个波动的温度时，须采用恰当的补偿方法准确修正。
热电偶参比端温度的处理方法有：（1）补偿导线法（2）参比端温度测量计算法（3）参比端恒温法（4）补偿电桥法。补偿导线是在一定的温度范围内（一般为0～100℃），有与所匹配热电偶热电动势相同标称值的一对带有绝缘层的导线，于连接热电偶和测量显示仪表装置，补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。延长了热电极，将热电偶冷端延长到温度相对稳定区，这种导线的热电特性与所配热电偶相同，且价格便宜。参比端温度测量计算法是采用补偿导线将热电偶参比端温度移到T0处，T0通常为环境温度，不是0 ℃，此时需要测量参比端温度Ｅ（T，0），即：Ｅ（T，0）＝Ｅ（T，T0）＋Ｅ（T0，0）。即相当于把校正值直接加进去，表的读数就是实际温度了。
冷端温度变化时需要重新调整仪表的机械零点，这种方法用于对测量精确度要求不高的场合，法适宜冷端温度稳定的场合。参比端恒温法将热电偶的参考端置于电加热的恒温器中，其参考端恒定在某一温度值。该方法必须采用计算校正法予以修正。电桥补偿法是在热电偶回路中串接一个参考端温度补偿器，来自动补偿因热电偶参考端温度变化对输出热电势的影响。补偿电桥是按T0=20℃时电桥平衡而设计的，即当T0=20℃时，补偿电桥无电压输出。采用冷端温度补偿器的补偿法比其他修正方法方便，补偿精确度也能满足热工测量的要求，是目前广泛采用的热电偶温度补偿处理方法。
必须指出：热电偶补偿导线的作用，起延伸热电极，热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，起补偿作用，此还需根据热电偶中间温度定律进行热电势的修正。参比端温度测量计算法来补偿冷端温度不为0℃时对测温的影响，使用补偿导线法时，必须使用计算校正法，仪表的指示值加以修正。测量冷端温度，算为对应毫伏值，热电偶的毫伏值相加，出总热电动势，查热电偶分度表来求出被测温度值；前面所说的相加是热电势的相加，不是简单的温度相加。由此可见，用补偿导线与参比端温度测量计算法，多次查对应热电偶的分度表并计算，此它只适用于实验室测温，该方法补偿是很不方便的，一般使用补偿电桥法。
在用热电偶进行温度测量时,除了常采用以上四种方法对热电偶的冷端温度进行补偿、修正外,仪表生产厂还常在与热电偶或辐射感温器配合使用的显示仪表的输入端增加仪表自动补偿电路,来实现冷端温度自动补偿,提高仪表测量的稳定性,提高温度测量的精度。