熱電偶補償問題的探討

李玉霞，范敏

(中國航空工業第十區域成都計量站，四川成都610503)

0 引言

將兩種不同材料的金屬焊接在一起，就組成熱電偶，如果測量端與參考端有溫度差，就會在回路中產生熱電勢。此熱電勢與溫差呈單值函數關系，測量熱電偶產生的熱電勢，通過查“熱電勢-溫度差的分度表”換算出測量端的溫度。熱電偶的測量端與參考端的溫差引起了熱電偶熱電勢的存在，如果將參考端放置在0℃的冰槽中，所測量的熱電勢值，通過查表，可以直接得到測量端的溫度值。所以實際測量中，如果參考端沒有處在0℃冰槽中，參考端的熱電勢的值也不為0，此時就要進行溫度補償。

1 熱電偶的補償原理

在熱電偶測量線路中，需要接入連接導線和顯示儀表，這些熱電極的材料與導線的材料一般是不同的，于是我們就要知道，當其它金屬材料接入熱電偶的電路后，對測量溫度有沒有影響?中間金屬定律指出，在一定的條件下電路中可以接入連接導線和顯示儀表。在熱電偶測量的回路中，只要中間導體兩端溫度相同，兩端接入中間其它金屬材料導體后，不影響熱電偶測量回路的總熱電勢。用中間導體C接入熱電偶回路可以有如圖1所示的接法。

圖1 熱電偶回路

熱電偶回路的熱電勢等于各接點熱電勢的代數和，即

可見當中間金屬兩端溫度相同時，它將不影響總熱電勢。

此定律的應用:

1)在熱電偶回路中接入測量儀表和連接導線時，如果連接處兩端接點的溫度相同，則熱電偶的回路熱電勢不受不影響，有了這一中間金屬定律的理論依據，就可以將熱電偶回路的產生的熱電熱測量出來。

2)熱電偶測量端的溫度，不管采用電極焊、電氟焊等多種方法制作測量端的焊點，只要焊點上溫度相等，產生的熱電勢也會一致。因此焊點的大小和制成方法不影響熱電偶回路總的電動勢的大小。依據這一定律，熱電偶的測量端就可以連接，使電路組成為一個完整的回路，進行溫度測量。

2 補償導線

熱電偶的補償導線由合金絲、絕緣層、護套和屏蔽層等組成。補償導線可以改善熱電偶整個測溫線路物理性能和機械性能，使用多股線芯或小直徑合金絲，在常溫或一定溫度溫度范圍內，補償導線的熱電動勢的標稱值同所匹配熱電偶的熱電動勢的標稱值相同。即補償導線在電路中充當作熱電偶的角色。

運用補償導線的好處主要體現在以下三方面:

1)從經濟學效益考慮，可以降低使用成本。補償導線主要材料是合金絲，與熱電偶相比價格要便宜得多。當檢定裝置與被測電偶的距離相差較遠時，如果全程使用熱電偶成本太高，就可以考慮使用補償導線降低成本，比如在測量貴金屬熱電偶時就可以大大的降低成本。

2)實現測量，實驗室里測量熱電偶時要使用到補償導線。對于鎧裝熱電偶和一些短型的熱電偶，在測量時測量端不能直接插入冰瓶里，此時就要用到補償導線，熱電通過補償導線接入冰瓶，再通過銅線接入顯示儀表。

3)提高熱電偶測量線路的物理性能和機械性能，熱電偶補償導線使用的合金絲的繞性好，使電路的接線更方便;絕緣層、護套和屏蔽層可以調節線路抗阻或屏蔽靜電和外磁場的干擾信號。

補償導線分兩種:補償型補償導線和延長型補償導線:

1)補償型補償導線，該合金絲的名義化學成分與相對應的熱電偶不同，但它的熱電動勢的值在一定的范圍內與所對應的熱電偶的熱電動勢標稱值相同的，用字母“C“表示，跟在分度號之后;不一樣的合金絲的組合可以組成相同的分度號的熱電偶，添加上相應的字母以示區別;如:“KCA”，“KCB”。

2)延長型補償導線;該合金的名義化學成分與相對應的熱電偶相同，相同溫度補償導線產生的熱電勢的標稱值與對應熱電偶的熱電勢相等。用字母“X”表示，如KX。

3 冷端補償

1)接入冰槽

式(1)反映的是相對于冷端溫度的熱端溫度。如果將冷端放在0℃的冰槽中，顯示儀表上顯示的熱電勢的值就是熱端溫度對應的熱電勢的值，通過查表就可以換算出熱端對應的溫度值。

如圖2所示，A，B端為熱電偶的熱端和冷端，BC為補償導線，CD是連接顯示儀表的銅線。此處使用冰槽是為給熱電偶的冷端提供一個0℃的環境，BC補償導線是電偶的延長。

2)室溫補償

如果熱電偶冷端無法接入冰槽，顯示儀表上測出的熱電勢是T與T0之間的溫差所產生的熱電勢值。因此實際測量中如果參考端處于室溫時，需要進行室溫補償。將室溫T0時對應熱電勢值與儀表的值相加后，查表對應換算出相應的熱端溫度值。

圖2 測量熱電偶連線

4 測溫儀表的補償問題

1)在校準具有熱電偶參考端溫度自動補償的測溫儀表時，其接線如圖3所示。

標準電壓源產生標稱熱電勢的值，通過銅線接至冰槽，在冰槽中與補償導線連接，給數字溫度指示調節儀提供一個標稱電壓，從而校準被測儀表的顯示誤差。值得注意的是:與源相接的是銅線，與被檢表相連接的補償導線。此處的補償導線所產生的熱電勢與自動補償的熱敏電阻所產生的熱電勢的值大小相等，方向相反，相互抵消后，相當于在電路中直接接入了銅線。抵消后就相當于圖4的接法。

圖3 具有熱電偶參考端溫度自動補償的儀表，校準時所用的標準器和接線

2)不具有熱電偶參考端溫度自動補償的儀表，校準時所用的標準器和接線如圖4所示。

圖4 不具有熱電偶參考端溫度自動補償的儀表，校準時所用的標準器和接線

此時可以不使用冰槽進行冷端補償，與被校表相接的是銅線，此處被檢表相當于圖2中的顯示儀表，直接接上銅線就可以了。

5 總結

熱電偶廣泛應用于各種測溫場所，精度較高，穩定性好，測溫區寬，使用壽命長，靈敏度高。在使用和校準時要正確連接測溫儀表。精密測溫時優先選擇冰槽補償;一般測溫時則可以選用室溫補償。在校準具有熱電偶參考端自動補償功能的測溫儀表時，要使用相應分度號的補償導線連接被測儀表，將冷端溫度補償到0℃。校準不具有熱電偶參考端自動補償功能的測溫儀表，可以直接使用銅線連接，無需補償。

［1］國防科工委科技與質量司.熱學計量［M］.北京:原子能出版社，2002.

［2］魏元，吳璋，徐岱.K型熱電偶冷端補償研究［J］.計測技術，2011，31(6):43-44

［3］國家技術監督局.JJG617-96數字溫度指示調節儀檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，1997.