熱電偶的使用基于定律及冷端溫度補償方法

許一洲

（西北民族大學電氣工程學院，甘肅 蘭州730106）

人們的生產和生活往往與溫度息息相關，熱電偶就是一種常見的接觸式溫度傳感器，盡管構造簡單，但同樣有其使用要求和規律。對熱電偶的使用基于定律和冷端溫度補償方法的研究有助于我們更靈活更有效地在實際生活中使用熱電偶。

1 熱電偶的結構及原理

熱電偶作為一種簡單的無源傳感器件，不需要在外界接通電源即可測量出溫度量。其構造也比較簡單，最簡單的熱電偶可以由兩種不同的導體A 和B，將其兩端結點連接在一起形成回路即可，其中一端為測量端T，另一端為參考端T0，該閉合回路也被稱之為熱電偶，導體A 或B 則被稱為熱電極或熱偶絲，其兩個結點中，被測對象溫度的結點稱為測量端，參考溫度的結點稱為參考端。如圖1 所示。

圖1 熱電偶的結構圖

熱電偶的熱電動勢是因為存在著由于兩不同導體連接所產生的接觸電動勢和導體自身受溫度影響的溫差電動勢。接觸電動勢是因為兩個不同導體的材料不同，其內部的自由電子密度也不相同，當兩者接觸時電子存在擴散運動，從而在該地方形成電動勢。溫差電動勢是因為導體兩端溫度不同的情況下在高溫端失去電子而帶正電荷，低溫端得到電子而帶負電荷形成的一種熱電動勢，也稱湯姆遜電動勢。

設熱電偶AB 的兩個接觸電動勢為EAB（T）和EAB（T0），兩個溫差電動勢為EA（T，T0）和EB（T，T0），因此由金屬導體A，B 組成的熱電偶回路中總的電動勢可表示為：

在總熱電動勢中，由于溫差電動勢與接觸電動勢相比要小許多，溫差電動勢的大小可以近似忽略，因此簡化后的熱電偶電動勢為：

熱電偶需要注意如下問題：（1）必須要用兩種不同的材料制作回路，否則其回路的電動勢始終為零；（2）若熱電偶測量的兩節點的溫度是相等的，回路中電動勢會為零；（3）熱電偶的熱電動勢只與兩測量節點的溫度有關，與導體中其它各處的溫度無關。

2 熱電偶的使用基于定律

2.1 中間溫度定律。熱電偶AB 的熱電動勢僅與熱電偶的材料和兩個結點的溫度有關，而與溫度沿熱電極的分布以及熱電極的尺寸和形狀無關，這就是中間溫度定律。假設每個導體中間存在著一結點Tn，則中間溫度定律的數學模型可表示為：

因此，在實際運用過程中，通過中間溫度定律，只要自由端溫度固定，即使自由端不是零攝氏度情況下，也能夠依據分度表利用上式測量溫度。

2.2 中間導體定律。在熱電偶AB 回路中，在斷開某一位置接入第三個導體C，只要接入的第三導體C 兩端溫度相同，就不會影響回路中的總熱電動勢，這就是中間導體定律。其具有兩種接入方式，如圖2 和圖3 所示所示。

圖2 斷開參考點接入方式

圖3 斷開其中一導體接入方式

因此，當回路長度不足時，我們往往需要從回路中引出導線或儀表的時候，只要保證引出兩端的溫度始終相等，就不會影響熱電偶回路中的熱電動勢。

2.3 標準電極定律。假設有熱電偶AC 和熱電偶BC，若熱電偶回路中的兩個結點溫度為T、T0，則用導體AB 組成的熱電偶的熱電動勢等于該兩個熱電動勢代數和。

設熱電偶AC 的熱電動勢EAC（T，T0）-EAC（T）-EAC（T0），熱電偶BC 的熱電動勢EBC（T，T0）=EBC（T）-EBC（T0），則利用中間導體定律后可以表示為：

因此導體C 為標準電極。在實際生活中，標準電極C 通常采用純鉑絲，若已有各種熱電極對鉑極的熱電動勢值，就可以用標準電極定律得到這些材料中任意兩種配成熱電偶后的熱電動勢，方便了熱電偶的選配。

3 熱電偶的冷端溫度補償

由以上的原理可以知道，熱電偶的熱電動勢與測量端的溫度和冷端的溫度都有關系。只需保持住冷端溫度為零，或者是一個恒定值的時候即可準確測量測量端上的溫度。但實際情況下冷端溫度往往存在擾動或是偏于基準值的現象。比如由于導體在測量溫度時，線路中的電流運動往往會存在熱散失現象。此外，因為能量守恒定理，冷端的電流運動會使冷端溫度上升，而熱端反而下降。所以我們需要通過采用一些溫度補償方法來穩定冷端溫度，從而減少對測量溫度的干擾。

3.1 導線補償法。實際的工業生產和生活需要中，顯示儀表往往無法安裝在測量對象的旁邊，這時要用其它導線延伸熱電偶使得熱電偶測量在較遠距離的場所。由于熱電偶一般較短，會使得冷端離被測對象很近，導致冷端溫度較高，受到影響也大，因此可以利用補償導線將熱電偶冷端延伸出來，該導線在一定溫度范圍內能夠與熱電偶具有相同熱電性質。

3.2 電橋補償法。選擇適當的電橋，且在電橋橋臂中設置一個電阻與熱電偶冷端感受相同的溫度變化。開始時冷端溫度不變，電橋平衡，當環境溫度產生變化時，因為橋臂上其中一個電阻與熱電偶冷端感受到相同變化，電橋平衡被打破產生不平衡電壓，通過這個不平衡電壓來補償因為冷端溫度變化時造成的熱電動勢變化

3.3 冰浴法。把熱電偶冷端至于冰水混合物中，即可保證冷端溫度等于零攝氏度。

3.4 計算法。大多數情況下冷端溫度不能保持在零攝氏度，這時通過熱電偶的中間溫度定律的計算公式，再結合分度表查詢就可以得出熱電偶測量端的實際溫度。

3.5 軟件處理法。在硬件處理熱電偶冷端不方便的情況下，可以利用計算機對冷端溫度進行修正，如當冷端溫度不為零但恒定時，在采樣后添加常數即可。如果測量經常波動，可以利用一些運算程序對其進行修正等來提高精確度。

4 結論

隨著科技的進步和發展，傳感器的精度問題值得我們越來越重視。熱電偶在生活中有著廣泛的應用。利用中間溫度定律，在使用熱電偶的時候冷端不一定為零攝氏度也能得到測量值；通過中間導體定律，可以用第三種導體從熱電偶冷端引出進行測量，從而節省貴金屬的使用；由標準電極定律可得，利用好標準電極即可求出任意兩種材料電動勢。結合熱電偶冷端溫度補償的5 種方法，能極大的提高熱電偶的測量精度，使其在未來的使用和發展中具有更積極的意義。