熱電偶的使用基于定律及冷端溫度補(bǔ)償方法

人們的生產(chǎn)和生活往往與溫度息息相關(guān)，熱電偶就是一種 常見的接觸式溫度傳感器，盡管構(gòu)造簡(jiǎn)單，但同樣有其使用要求 和規(guī)律。上海自動(dòng)化儀表對(duì)熱電偶的使用基于定律和冷端溫度補(bǔ)償方法的研究有助于我們更靈活更有效地在實(shí)際生活中使用熱電偶。

1 熱電偶的結(jié)構(gòu)及原理

熱電偶作為一種簡(jiǎn)單的無(wú)源傳感器件，不需要在外界接通 電源即可測(cè)量出溫度量。其構(gòu)造也比較簡(jiǎn)單，非常簡(jiǎn)單的熱電偶可以由兩種不同的導(dǎo)體 A和 B，將其兩端結(jié)點(diǎn)連接在一起形成回路 即可，其中一端為測(cè)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(dǎo)體 A 或 B 則被稱為熱電極或熱偶絲，其兩個(gè)結(jié)點(diǎn)中，被測(cè)對(duì)象溫度的結(jié)點(diǎn)稱為測(cè)量端，參考溫度的結(jié)點(diǎn)稱為參考端。

熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)榇嬖谥捎趦刹煌瑢?dǎo)體連接所產(chǎn)生的接觸電動(dòng)勢(shì)和導(dǎo)體自身受溫度影響的溫差電動(dòng)勢(shì)。接觸電 動(dòng)勢(shì)是因?yàn)閮蓚€(gè)不同導(dǎo)體的材料不同，其內(nèi)部的自由電子密度也不相同，當(dāng)兩者接觸時(shí)電子存在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而在該地方形成電動(dòng)勢(shì)。溫差電動(dòng)勢(shì)是因?yàn)閷?dǎo)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(fù)電荷形成的一種熱電動(dòng)勢(shì)，也稱湯姆遜電動(dòng)勢(shì)。 設(shè)熱電偶 AB 的兩個(gè)接觸電動(dòng)勢(shì)為 EAB（T）和 EAB（T0），兩個(gè)溫 差電動(dòng)勢(shì)為 E（A T，T0）和 E（B T，T0），因此由金屬導(dǎo)體 A，B 組成的熱電偶回路中總的電動(dòng)勢(shì)可表示為：EAB（T，T0）=EAB（T）+E（B T，T0）- EAB（T0）- E（A T，T0）在總熱電動(dòng)勢(shì)中，由于溫差電動(dòng)勢(shì)與接觸電動(dòng)勢(shì)相比要小 許多，溫差電動(dòng)勢(shì)的大小可以近似忽略，因此簡(jiǎn)化后的熱電偶電 動(dòng)勢(shì)為： EAB（T，T0）=EAB（T）- EAB（T0）熱電偶需要注意如下問(wèn)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(dòng)勢(shì)始終為零；（2）若熱電偶測(cè)量的兩節(jié)點(diǎn)的溫度是相等的，回路中電動(dòng)勢(shì)會(huì)為零；（3）熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì) 只與兩測(cè)量節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體中其它各處的溫度無(wú)關(guān)。

2 熱電偶的使用基于定律

1 中間溫度定律。熱電偶 AB 的熱電動(dòng)勢(shì)僅與熱電偶的材 料和兩個(gè)結(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，而與溫度沿?zé)犭姌O的分布以及熱電極的尺寸和形狀無(wú)關(guān)，這就是中間溫度定律。假設(shè)每個(gè)導(dǎo)體中間存 在著一結(jié)點(diǎn) Tn，則中間溫度定律的數(shù)學(xué)模型可表示為：EAB（T，T0）=EAB（T，Tn）+EAB（Tn+T0） 因此，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，通過(guò)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(jù)分度表利 用上式測(cè)量溫度。

2.2 中間導(dǎo)體定律。在熱電偶 AB 回路中，在斷開某一位置接入第三個(gè)導(dǎo)體 C，只要接入的第三導(dǎo)體 C 兩端溫度相同，就不會(huì)影響回路中的總熱電動(dòng)勢(shì)，這就是中間導(dǎo)體定律。其具有兩種接 入方式。

因此，當(dāng)回路長(zhǎng)度不足時(shí)，我們往往需要從回路中引出導(dǎo)線 或儀表的時(shí)候，只要保證引出兩端的溫度始終相等，就不會(huì)影響熱電偶回路中的熱電動(dòng)勢(shì)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)電極定律。假設(shè)有熱電偶 AC 和熱電偶 BC，若熱電 偶回路中的兩個(gè)結(jié)點(diǎn)溫度為 T、T0，則用導(dǎo)體 AB 組成的熱電偶的 熱電動(dòng)勢(shì)等于該兩個(gè)熱電動(dòng)勢(shì)代數(shù)和。 設(shè)熱電偶 AC 的熱電動(dòng)勢(shì) EAC（T，T0）- EAC（T）- EAC（T0），熱電偶BC的熱電動(dòng)勢(shì) EBC（T，T0）=EBC（T）- EBC（T0），則利用中間導(dǎo)體定律后可以表示為：EAC（T，T0）- EBC（T，T0）=EAB（T）+EBA（T0）=EAB（T）- EAB（T0）- EAB（T， T0）因此導(dǎo)體 C 為標(biāo)準(zhǔn)電極。在實(shí)際生活中，標(biāo)準(zhǔn)電極 C 通常采 用純鉑絲，若已有各種熱電極對(duì)鉑極的熱電動(dòng)勢(shì)值，就可以用標(biāo) 準(zhǔn)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(dòng)勢(shì)， 方便了熱電偶的選配。

3 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

由以上的原理可以知道，熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)與測(cè)量端的溫度 和冷端的溫度都有關(guān)系。只需保持住冷端溫度為零，或者是一個(gè)恒定值的時(shí)候即可準(zhǔn)確測(cè)量測(cè)量端上的溫度。但實(shí)際情況下冷端 溫度往往存在擾動(dòng)或是偏于基準(zhǔn)值的現(xiàn)象。比如由于導(dǎo)體在測(cè)量 溫度時(shí)，線路中的電流運(yùn)動(dòng)往往會(huì)存在熱散失現(xiàn)象。此外，因?yàn)槟?量守恒定理，冷端的電流運(yùn)動(dòng)會(huì)使冷端溫度上升，而熱端反而下 降。所以我們需要通過(guò)采用一些溫度補(bǔ)償方法來(lái)穩(wěn)定冷端溫度，從而減少對(duì)測(cè)量溫度的干擾。

3.1 導(dǎo)線補(bǔ)償法。實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)和生活需要中，顯示儀表往往無(wú)法安裝在測(cè)量對(duì)象的旁邊，這時(shí)要用其它導(dǎo)線延伸熱電偶使得熱電偶測(cè)量在較遠(yuǎn)距離的場(chǎng)所。由于熱電偶一般較短，會(huì)使 得冷端離被測(cè)對(duì)象很近，導(dǎo)致冷端溫度較高，受到影響也大，因此 可以利用補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶冷端延伸出來(lái)，該導(dǎo)線在一定溫度范 圍內(nèi)能夠與熱電偶具有相同熱電性質(zhì)。

3.2 電橋補(bǔ)償法。選擇適當(dāng)?shù)碾姌?，且在電橋橋臂中設(shè)置一 個(gè)電阻與熱電偶冷端感受相同的溫度變化。開始時(shí)冷端溫度不變，電橋平衡，當(dāng)環(huán)境溫度產(chǎn)生變化時(shí)，因?yàn)闃虮凵掀渲幸粋€(gè)電阻 與熱電偶冷端感受到相同變化，電橋平衡被打破產(chǎn)生不平衡電壓 ，通過(guò)這個(gè)不平衡電壓來(lái)補(bǔ)償因?yàn)槔涠藴囟茸兓瘯r(shí)造成的熱電動(dòng)勢(shì)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(jì)算法。大多數(shù)情況下冷端溫度不能保持在零攝氏度， 這時(shí)通過(guò)熱電偶的中間溫度定律的計(jì)算公式，再結(jié)合分度表查詢就可以得出熱電偶測(cè)量端的實(shí)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(jì)算機(jī)對(duì)冷端溫度進(jìn)行修正，如當(dāng)冷端溫度不為零但恒定時(shí)，在采樣后添加常數(shù)即可。如果測(cè)量經(jīng)常波動(dòng)，可以利用一些 運(yùn)算程序?qū)ζ溥M(jìn)行修正等來(lái)提高精確度。

4 結(jié)論

隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，傳感器的精度問(wèn)題值得我們?cè)絹?lái)越 重視。熱電偶在生活中有著廣泛的應(yīng)用。利用中間溫度定律，在使 用熱電偶的時(shí)候冷端不一定為零攝氏度也能得到測(cè)量值；通過(guò)中 間導(dǎo)體定律，可以用第三種導(dǎo)體從熱電偶冷端引出進(jìn)行測(cè)量，從 而節(jié)省貴金屬的使用；由標(biāo)準(zhǔn)電極定律可得，利用好標(biāo)準(zhǔn)電極即 可求出任意兩種材料電動(dòng)勢(shì)。上海自動(dòng)化儀表結(jié)合熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)?5 種方 法，能極大的提高熱電偶的測(cè)量精度，使其在未來(lái)的使用和發(fā)展 中具有更積極的意義。