热电偶测量原理

温度测量与热电偶冷端补偿
温度测量是测量领域最重要的功能之一，频繁应用于气象观测、环境研究、实验室以及其他各种生产过程。

在特定条件下的产品制造与工业质量保持稳定方面，温度测量是基础且十分重要。

因此，本文将描述工业领域温度测量中广泛使用的温度传感器的热电偶和电阻温度传感器(RTD)的测量原理及热电偶冷端补偿相关知识。

热电偶测温的基本原理: 两个不同导体A与B串接成一个闭合回路，如图a所示，当两个接点的温度不同时(设T>T0)，回路中就会产生热电动势，这种现象称为热电效应。

这种现象是1821年德国科学家赛贝克(T.Seebeck)发现的，所以又称塞贝克效应。

热电偶的基本构成: 导体的A和B称为热电偶的热电极。

放置在被测对象中的接点称为测量端，习惯上又叫做热端。

另一接点称为参考端（参比端），习惯上又叫冷端。

热电动势的测量: 热电动势包括接触电势和温差电势。

温差电势远比接触电势小，可以忽略。

这样闭合回路中的总热电势可近似为接触电势。

根据实验数据把热电势EAB(T，T0)和温度T的关系绘成曲线或列成表格(分度表)，则只要用仪表测得热电势，就可以求出被测温度T。

在理解热电偶测温原理时我们需要知道热电偶的几个特性:
1、组成热电偶回路的两种导体材料相同时，无论两接点温度如何，回路总热电势等于零。

2、如果热电偶两接点的温度相同，T=T0，则尽管导体A，B材料不同，热电偶回路的总电势亦为零。

热电偶回路的总电势仅与两接点温度有关，与A、B材料的中间温度无关。

3、在热电偶回路中接入第三种材料的导体时，只要这根导体的两端温度相同，则不会影响原来回路的总热电势。

这一性质称为中间导体定律。

在用热电偶丝进行温度测量时，热电偶的冷端补偿是必不可少的。

那为什么要进行冷端补偿呢？从热电偶的测温原理知道，热电偶热电势大小不但与热端温度有关，而且与冷端温度有关。

只有在冷端温度恒定的情况下，热电势才能正确反映热端温度大小。

在实际运用中，热电偶冷端受环境温度波动的影响较大，因此冷端温度不可能恒定，而要保持输出电势是被测温度的单一函数值，必须保持一个节点温度恒
定。

热电偶技术条件都是指冷端(非工作端)处在0℃时的电动势，要求工作时，保持0℃，这样热电势才能正确反映热端温度大小，否则就会产生误差。

有很多种可用于测量温度的热电偶类型，它们的温度电动势特性如下图:
下表总结了典型的热电偶类型及其优缺点:
类型优点缺点
B 1、适用于1000℃或以上的高温测量。

2、室温下具有非常低的导热性，无需
补偿导线。

3、极好的耐酸性和耐化学性。

1、中低温范围内导热性低，
600℃或600℃以下时无法进行
测量。

2、低灵敏度。

3、低温差电动势线性。

冷端补偿原理及方法：
测量温度时要求其冷端（测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端称为冷端）的温度保持不变，其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。

若测量时，冷端的（环境）温度变化，将影响严重测量的准确性。

在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。

热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。

电桥的三个桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由（铜）热电阻构成。

当冷端温度变化（比如升高），热电偶产生的热电势也将变化（减小），而此时串联电桥中的热电阻阻值也将变化并使电桥两端的电压也发
生变化（升高）。

如果参数选择得好且接线正确，电桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总输出电压（电势）正好真实反映了所测量的温度值。

这就是热电偶的冷端补偿原理。

热电偶在实际工业测量中，冷端温度不可能恒定在0℃，因此，在热电偶测量中，不仅需要保持冷端温度恒定，而且要对冷端温度进行相对于0℃时的热电势进行补偿，目的是将测量的热电势折算到冷端温度为0℃时的标准状态。

为了保持冷端温度恒定，常常需要将冷端用导线延伸到温度相对稳定的场所（控制室）。

这种用来延伸热电偶冷端的导线称为补偿导线。

补偿导线大致可分为两种，一种使用与热电偶相同的材质制成，叫做延伸型补偿导线；另外一种使用与热电偶不同的较便宜的材质制成，叫做补偿型补偿导线。

下面谈谈热电偶的冷端补偿。

用热电偶测温时，其产生的热电势E（T,T0）的值取决于热电偶热端和冷端的的温度差。

当冷端温度T0由0℃升高到T0时，测出的热电势为E（T,T0），此时热电势减少了ΔEx=E(T,0℃)-E(T,T0)。

也就是说，随冷端温度的升高，测出热电势值降低，从而产生了误差。

为减小热电偶冷端温度变化所引起的误差，需要对冷端温度进行补偿。

通常采用电桥来测量热电势E（T,T0）,其中三个桥臂选用标准电阻,而将铜电阻Rcu接在电桥的一个桥臂上，并用引线将其置于热电偶冷端附近。

当冷端温度升高而引起热电势减少的同时，补偿电阻Rcu阻值亦增加，使铜电阻两端压降增大，两者大小相等，方向相反，起到了冷端温度自动补偿的作用，使温度
变送器输出值只取决于热电偶热端温度，消除了因冷端温度变化而引起的测量误差。

但热电偶所产生的热电势与温度之间的关系是非线性的，其平均每度所产生的热电势值不一定相同，而铜电阻的阻值变化却为线性关系，所以它们的补偿是近似的，只能在某一局部范围内得到较好的补偿。

因此，保持冷端温度相对稳定还是有必要的。

为了提高热电偶测温的精度，利用温度传感器，例如铂电阻Pt100对冷端温度进行动态测定，再根据热电偶分度表获得冷端补偿电势值，然后在计算机内与热电偶实际输出电势进行代数迭加，通过热电偶分度表，便可由该代数和换算出实测温度。

此种补偿方法完全用软件实现，精度高，可适应冷端温度变化较大的场合，是目前计算机集散控制系统（DCS）常用的方法。

热电阻
电阻由极细的金属线构成，主要使用铂、铜和镍等材料。

符合JIS标准的热电阻只能由铂制成。

热电阻由于和热电偶的测温原理完全不同，所以它具备一些自己的特征，具体如下:
1. 不能进行650℃以上的高温测量。

2. 测量灵敏度约为热电偶的10倍。

3. 能够长期稳定测量。

4. 机械强度低。

5. 响应慢，不易测量微小或狭窄的部分。

6. 通过测量电流产生热量。

7. 抗干扰性强。

8. 导线电阻会导致测量误差。

热电阻的温度电阻率特性如下图：
金属的电阻值随着温度的升高而增加，0℃时100Ω的铂电阻，当温度升高至100℃时，电阻值为138.5Ω。

即温度每上升或下降一度，电阻变化0.385Ω。

热电阻的测温原理: 热电阻中通过一定的电流，用热电阻两端的电压
值除以这个电流值就可以求得热电阻的电阻值，然后将其换算成温度。

电路中的电流分为三种: 0.5mA、1mA和2mA三种。

电流值超过容许电流时会导致自身加热，从而容易产生测量误差。

相反，如果电流过小，则产生的电压变低，测量就会变得很困难。

所以，一般情况下使用2mA，高精度测量时使用0.5mA或1mA。

为了克服由于导线电阻对温度测量造成的误差，一般会采用三线制或四线制补偿电路。

三线制测温时，线上电阻rA和rB阻值相抵，如果近似相等时rA-rB 为零
四线制测温时，在测量电路上加载恒定电流i，在测热电阻电压的内线电路中保证只测量电压，而无电流通过。

三线制与四线制的区别在于精度: 四线制较三线制测量精度更高，而四线制需要多一根电缆，成本较三线制更高。