熱電偶的使用基于定律及冷端溫度補(bǔ)償方法

許一洲

（西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州730106）

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)造簡單，但同樣有其使用要求和規(guī)律。對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(gòu)造也比較簡單，最簡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，被測對象溫度的結(jié)點(diǎn)稱為測量端，參考溫度的結(jié)點(diǎn)稱為參考端。如圖1 所示。

圖1 熱電偶的結(jié)構(gòu)圖

熱電偶的熱電動(dòng)勢是因?yàn)榇嬖谥捎趦刹煌瑢?dǎo)體連接所產(chǎn)生的接觸電動(dòng)勢和導(dǎo)體自身受溫度影響的溫差電動(dòng)勢。接觸電動(dòng)勢是因?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。溫差電動(dòng)勢是因?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，也稱湯姆遜電動(dòng)勢。

設(shè)熱電偶AB 的兩個(gè)接觸電動(dòng)勢為EAB（T）和EAB（T0），兩個(gè)溫差電動(dòng)勢為EA（T，T0）和EB（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)勢可表示為：

在總熱電動(dòng)勢中，由于溫差電動(dòng)勢與接觸電動(dòng)勢相比要小許多，溫差電動(dòng)勢的大小可以近似忽略，因此簡化后的熱電偶電動(dòng)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(dòng)勢始終為零；（2）若熱電偶測量的兩節(jié)點(diǎn)的溫度是相等的，回路中電動(dòng)勢會(huì)為零；（3）熱電偶的熱電動(dòng)勢只與兩測量節(jié)點(diǎn)的溫度有關(guān)，與導(dǎo)體中其它各處的溫度無關(guān)。

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(dòng)勢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：

因此，在實(shí)際運(yùn)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(jù)分度表利用上式測量溫度。

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，這就是中間導(dǎo)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(diǎn)接入方式

圖3 斷開其中一導(dǎo)體接入方式

因此，當(dāng)回路長度不足時(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。

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)勢等于該兩個(gè)熱電動(dòng)勢代數(shù)和。

設(shè)熱電偶AC 的熱電動(dòng)勢EAC（T，T0）-EAC（T）-EAC（T0），熱電偶BC 的熱電動(dòng)勢EBC（T，T0）=EBC（T）-EBC（T0），則利用中間導(dǎo)體定律后可以表示為：

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鉑極的熱電動(dòng)勢值，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，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)勢與測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)確測量測量端上的溫度。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)槟芰渴睾愣ɡ?，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。所以我們需要通過采用一些溫度補(bǔ)償方法來穩(wěn)定冷端溫度，從而減少對測量溫度的干擾。

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，顯示儀表往往無法安裝在測量對象的旁邊，這時(shí)要用其它導(dǎo)線延伸熱電偶使得熱電偶測量在較遠(yuǎn)距離的場所。由于熱電偶一般較短，會(huì)使得冷端離被測對象很近，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，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，通過這個(gè)不平衡電壓來補(bǔ)償因?yàn)槔涠藴囟茸兓瘯r(shí)造成的熱電動(dòng)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(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，傳感器的精度問題值得我們越來越重視。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量值；通過中間導(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。結(jié)合熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)? 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(fā)展中具有更積極的意義。