熱電偶冷端補償的實驗與研究

章鐵軍

摘 要：熱電偶的適用范圍廣泛，盡管看起來十分簡單，但其工作原理卻較為復雜。為此，本文主要探討了熱電偶的工作原理和冷端補償工作原理，并通過對冷端補償的幾個方法進行實驗，直觀展現了熱電偶冷端補償工作原理。

關鍵詞：熱電偶；冷端補償；實驗；研究

中圖分類號：TH811 文獻標識碼：A

溫度與許多事物息息相關。人們的生活離不開溫度，生產離不開溫度，因此，溫度的測量十分重要。而熱電偶亦與溫度密切相關。熱電偶是常用且重要的溫度測量元件，除了測量，其還肩負將溫度所傳達的信號轉變成其他重要信號的任務。由于熱電偶在溫度測量中頻頻使用，因此就有了各種樣式各異的熱電偶。對熱電偶冷端補償進行實驗和研究，有助于我們更好地了解熱電偶的用途。

一、熱電偶概述

（一）熱電偶基本概念

溫度的變化會影響生產和工作，因此，需要一個穩定、方便、準確度高的工具進行測量，熱電偶就是這樣一種元件，其測量溫度的結果通常令人比較滿意，因此備受人們信賴。作為連接不同信號的橋梁，熱電偶的響應與轉換速度極快。熱電偶和其他溫度測量的不同之處主要在于外表的區別，但內部結構則基本相同，這是由熱電偶的作用所決定的。

（二）熱電偶工作原理

熱電偶是由兩個不同導體或者說兩個半導體組成的回路。回路的本質是導體的相互關聯，連接之后必然會出現兩個端點，溫度相同暫不討論，這里要重點研究溫度不同的兩端。在溫度不同的情況下，必定會有溫度差，造成溫度差是由于兩端溫度一高一低，這兩個因溫度存在差異的端點就有了明確的區分：一個是熱端，一個是冷端。由于熱端和冷端分子運動的速率不同，所以，由熱端和冷端組成的熱電偶中會迅速形成一個電動勢，這就是熱電偶迅速響應溫度后轉化成的信號，即熱電動勢。除了溫度，由于不同導體的電阻率不同，所以，導體的材料也影響到熱電動勢。

二、熱電偶冷端補償原理

冷端補償，與冷端溫度有關。根據能量守恒定律，冷端的溫度會隨著電流的運動而上升，熱端的溫度會隨之降低，從而讓熱端和冷端之間的溫度差接近，那么就會影響測量的結果。此外，這個過程還會發生溫度的散失，熱端和冷端的溫度都會隨著時間的推移，慢慢和常溫接近，并且線路由于電流的存在會發生熱散失，因此，就必須做出補償。

三、熱電偶冷端溫度補償實驗

（一）實驗設備

1 冰點槽法實驗設備

熱電偶，冰水混合物容器，兩支玻璃試管。

2 零點遷移法實驗設備

熱電偶，儀表。

3 冷端補償器法實驗設備

熱電偶，若干根錳、銅金屬絲，直流電源。

（二）實驗原理和內容

所有方法的實驗原理均遵從于熱電偶冷端補償的基本原理和方法。實驗內容主要以冰點槽法、零點遷移法、冷端補償器法為主，通過各自不同的實驗設備展現冷端補償過程，從而達到補償的效果。

（三）實驗步驟

1 冰點槽法實驗步驟

第一，將盛滿冰水混合物的容器準備妥當；第二，將冷端浸入此容器中，使溫度達到理想狀態；第三，保持冷端溫度為零度；第四，為了提高實驗的安全性，將預先準備的兩支玻璃試管中依次放入兩個結點；第五，為了達到良好的絕緣效果，將兩支穩穩放置結點的玻璃管浸入冰水混合物的容器中。

2 零點遷移法實驗步驟

第一，確保實驗環境溫度穩定；第二，將儀表調到常溫狀態下的刻度；第三，確定熱電偶冷端溫度與室內溫度一致；第四，確定熱電偶熱端溫度與室內溫度一致；第五，確定熱電偶兩端溫度一致后，觀察指針的溫度值。

3 冷端補償器法實驗步驟

第一，預備不同材質的金屬絲如錳、銅絲，將其相連成由四根金屬絲和電源形成的電橋；第二，在零度的溫度下保持電橋平衡，觀察儀表指針有沒有發生改變；第三，以4V直流電源進行供電，在不同溫度下觀察儀表指針變化。

（四）實驗結果

1 冰點槽法

通過實驗可知，冰點槽法因其冰水混合物的溫度為零度，是熱電偶冷端補償中最理想的狀態，但只能用于實驗之中。

2 零點遷移法

零點遷移法實驗是在一個溫度恒定的環境下進行，但不是零度。通過實驗可知，在熱電偶冷端溫度恒定不變的條件下，通過適當調整儀表值即可實現溫度補償。

3 冷端補償器法

冷端補償器法的本質就是從保持電橋平衡到不平衡的狀態下使熱電動勢發生變化，從而達到補償的目的。

除了以上三種方法之外，冷端補償方法還有計算修正法、補正系數法、軟件處理法。前兩種主要是通過計算的方式，計算修正法比補正系數法的誤差更小。

補正系數法用公式表達：

T=T′+K×TH

式中：T—為未知的被測溫度；T′—為參考端在室溫下熱電偶電勢與分度表上對應的某個溫度；TH—室溫；k—為補正系數。

計算修正法是根據常溫計算熱電偶冷端實際溫度TH，公式如下：

EAB（T， T0）=EAB（T， TH）+EAB（TH， T0）

軟件處理法則主要利用計算機來處理，冷端溫度恒定時正常補償即可。冷端溫度變化多端時，就需要考慮將多個熱電偶冷端集中處理。

結論

熱電偶的適用范圍廣泛，盡管看起來十分簡單，但其工作原理卻較為復雜。在實際情況中，冷端溫度不可能一成不變，所以就要進行冷端溫度補償。本文通過對冷端補償中的幾個方法進行實驗，旨在進一步幫助各位了解熱電偶冷端補償工作原理。有關補償的誤差問題，還需要進一步的研究和改進。

參考文獻

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