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温度变送器的冷端补偿

2023-05-04

经常使用热电偶的人可能也并不是那么了解热电偶冷端（参考）究竟是如何工作的。为了能够讨论冷端，我们首先需要对热电偶理论和热电偶的工作原理做一个简短的了解。

● 冷端或参考端

热电偶“冷端”通常被称为“参考端”，但在我们看来人们更经常使用“冷端”这个词。

常见热电偶.jpg

热电偶是工业中常见的温度传感器。热电偶的一些优点使其得到广泛应用。它们可用于测量非常高的温度，远高于电阻式温度传感器（RTD）。热电偶也是一个非常坚固的传感器，所以它不容易断裂。尽管热电偶不如电阻式温度传感器准确，但在许多应用中它们的准确度足够达到要求。

● 热电偶是如何工作的

热电偶由两条不同的电导体制成的导线组成，它们的一端连接在一起（“热”端），这是用来测量温度的一端。正如1821年托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）发现的那样，当这些电线的连接点被置于不同的温度下时，会产生热电流，从而在开口端的电线之间产生一个很小的电压。电压取决于温度和所用导线的材料。这种效应被称为“塞贝克效应”。

热电偶的简化原理图.jpg

上图中“热电偶材料1和2”代表热电偶所用的两种不同材料。“T1”是热电偶的热端，即用于测量温度的点。两个“TCJ”是冷端的温度。因为热电偶丝中的温度梯度，一直在“热”和“冷”端之间产生热电压。所以，不是连接点产生了电压，而是沿着电线的温度梯度产生了电压。但热电压是在冷热端之间产生的这一解释更容易被理解。

● 热电偶类型和材料

有许多类型的热电偶由不同的材料和合金制造。不同的材料会导致不同的灵敏度，在相同的温度下产生不同的热电压，并会影响其他特性。几种不同的热电偶类型已经标准化，并为所使用的指定材料提供了名称。名称通常非常短，通常只有一个字母,如 K、R、S、J、K 等类型。

最常见的热电偶及其材料.jpg

由于不同的热电偶是由不同的材料制成的，因此热电电压也不同，如下图所示。在同一温度下，不同类型之间产生的电压相差很大。

热电偶热电压.jpg

● 热电偶的赛贝克系数

如果您想测量较低的温度，显然最好使用更敏感的类型，因为它们提供更高的电压，更容易测量。但如果您需要去高温，可能要选择一些不太敏感的类型，可以在极端高温下使用。赛贝克系数表示热电偶的电压相对于温度的变化有多大。上图说明了不同热电偶之间的不同灵敏度，也解释了为什么热电偶校验仪对于不同类型的热电偶通常具有不同的精度等级。

● 冷端

我们展示了简化的热电偶原理图，显示两个不同的导体连接在一起在“热端”连接中产生了热电压。这时候，您会问的大问题应该是“电线的另一端呢？”当您测量热电偶的电压时，您可以把热电偶的导线连接到电压表上。电压表连接材料通常是铜或铜镀金的，因此它与热电偶材料不同，这意味着您在电压表连接中创建了两个新的热电偶！

热电偶.png

在上图中，材料1和材料2是形成热电偶的两个热电偶材料。“热端”是它们焊接在一起的点，这是测量过程温度的点，也是产生电压U1的点。这个U1是我们要测量的。在“冷端”点，热电偶与电压表相连，电压表的连接由不同的材料（材料3）制成。只要这些不同材料处于同样环境温度中，它们产生的额外电压U2、U3对总的热电压不产生影响。分度表中的热电压是冷端处于0℃时，热端到冷端的热梯度产生的电压集。但实际应用中，温度变送器与热电偶冷端的环境温度绝大多数情况下不是0℃。所以，在使用分度表计算热端温度时必须去除冷端温度所产生的影响，也称为冷端补偿。

● 冷端选择和补偿方法

1.冰点槽法

根据其性质，热电偶接头在0°C（32°F）温度下不会产生任何热电压。所以，您可以在那个温度下连接冷端，例如在冰点槽中或者精确的温度校准炉中。在冰点槽中将热电偶导线连接到铜线上，而在连接过程中不会产生热电压。那么您就不必担心冷端了。连接需要与冰槽中的水进行电气隔离，以避免任何泄漏电流导致错误或可能产生腐蚀。这是一种非常精确的方法，校准实验室通常会这样做。在工厂，这是不太实际的，所以通常不用于工厂。

冰点槽法.png