溫度測(cè)量與熱電偶冷端補(bǔ)償

日期：2025-08-30 14:02

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摘要：

溫度測(cè)量與熱電偶冷端補(bǔ)償

溫度測(cè)量

溫度測(cè)量是測(cè)量領(lǐng)域*重要的功能之一，頻繁應(yīng)用于氣象觀測(cè)、環(huán)境研究、實(shí)驗(yàn)室以及其他各種生產(chǎn)過(guò)程。在特定條件下的產(chǎn)品制造與工業(yè)質(zhì)量保持穩(wěn)定方面，溫度測(cè)量是基礎(chǔ)且十分重要。因此，本文將描述工業(yè)領(lǐng)域溫度測(cè)量中廣泛使用的溫度傳感器的熱電偶和電阻溫度傳感器(RTD)的測(cè)量原理及熱電偶冷端補(bǔ)償相關(guān)知識(shí)。

熱電偶

熱電偶測(cè)溫的基本原理:兩個(gè)不同導(dǎo)體A與B串接成一個(gè)閉合回路，如圖a所示，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同時(shí)(設(shè)T>T₀)，回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。這種現(xiàn)象是1821年德國(guó)科學(xué)家賽貝克(T.Seebeck)發(fā)現(xiàn)的，所以又稱塞貝克效應(yīng)。

熱電偶的基本構(gòu)成:導(dǎo)體的A和B稱為熱電偶的熱電極。放置在被測(cè)對(duì)象中的接點(diǎn)稱為測(cè)量端，習(xí)慣上又叫做熱端。另一接點(diǎn)稱為參考端，習(xí)慣上又叫冷端。

熱電動(dòng)勢(shì)的測(cè)量:熱電動(dòng)勢(shì)包括接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)。溫差電勢(shì)遠(yuǎn)比接觸電勢(shì)小，可以忽略。這樣閉合回路中的總熱電勢(shì)可近似為接觸電勢(shì)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)把熱電勢(shì)EAB(T，T₀)和溫度T的關(guān)系繪成曲線或列成表格(分度表)，則只要用儀表測(cè)得熱電勢(shì)，就可以求出被測(cè)溫度T。

在理解熱電偶測(cè)溫原理時(shí)我們需要知道熱電偶的幾個(gè)特性:
  1. 組成熱電偶回路的兩種導(dǎo)體材料相同時(shí)，無(wú)論兩接點(diǎn)溫度如何，回路總熱電勢(shì)等于零。
  2. 如果熱電偶兩接點(diǎn)的溫度相同，T=T₀，則盡管導(dǎo)體A，B材料不同，熱電偶回路的總電勢(shì)亦為零。
      熱電偶回路的總電勢(shì)僅與兩接點(diǎn)溫度有關(guān)，與A、B材料的中間溫度無(wú)關(guān)。
  3. 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體時(shí)，只要這根導(dǎo)體的兩端溫度相同，則不會(huì)影響原來(lái)回路的
      總熱電勢(shì)。這一性質(zhì)稱為中間導(dǎo)體定律。

在用熱電偶絲進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，熱電偶的冷端補(bǔ)償是必不可少的。那為什么要進(jìn)行冷端補(bǔ)償呢？從熱電偶的測(cè)溫原理知道，熱電偶熱電勢(shì)大小不但與熱端溫度有關(guān)，而且與冷端溫度有關(guān)。只有在冷端溫度恒定的情況下，熱電勢(shì)才能正確反映熱端溫度大小。在實(shí)際運(yùn)用中，熱電偶冷端受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響較大，因此冷端溫度不可能恒定，而要保持輸出電勢(shì)是被測(cè)溫度的單一函數(shù)值，必須保持一個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度恒定。熱電偶技術(shù)條件都是指冷端(非工作端)處在0℃時(shí)的電動(dòng)勢(shì)，要求工作時(shí)，保持0℃，這樣熱電勢(shì)才能正確反映熱端溫度大小，否則就會(huì)產(chǎn)生誤差。

有很多種可用于測(cè)量溫度的熱電偶類型，它們的溫度電動(dòng)勢(shì)特性如下圖:

下表總結(jié)了典型的熱電偶類型及其優(yōu)缺點(diǎn):

類型	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
B	適用于1000℃或以上的高溫測(cè)量。室溫下具有非常低的導(dǎo)熱性，無(wú)需補(bǔ)償導(dǎo)線。極好的耐酸性和耐化學(xué)性。	中低溫范圍內(nèi)導(dǎo)熱性低，600℃或600℃以下時(shí)無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。低靈敏度。低溫差電動(dòng)勢(shì)線性。價(jià)格昂貴。
R/S	高**性和低變更、低退化性。極好的耐酸性和耐化學(xué)性。可作為標(biāo)準(zhǔn)使用。	低靈敏度。易受還原氣氛影響(尤其是氫氣或金屬蒸氣)。導(dǎo)致重大的補(bǔ)償導(dǎo)線錯(cuò)誤。價(jià)格昂貴。
N	具有極好的溫差電動(dòng)勢(shì)線性。在1200℃或1200℃以下具有極好的耐酸性。不受短程排序影響。	不適用于還原氣氛。與貴金屬熱電偶相比，易遭受大的長(zhǎng)期的改變。
K	具有極好的溫差電動(dòng)勢(shì)線性。在1000℃或1000℃以下具有極好的耐酸性。在賤金屬熱電偶中具有極好的穩(wěn)定性。	不適用于還原氣氛。與貴金屬熱電偶相比，易遭受大的長(zhǎng)期的改變。易受短程排序?qū)е碌腻e(cuò)誤影響。
E	是當(dāng)前*靈敏的熱電偶。具備比J類型更好的耐熱性。兩個(gè)支架都是無(wú)磁的。	不適用于還原氣氛。有輕微磁滯現(xiàn)象。
J	可用于還原氣氛。導(dǎo)熱性高出K類型約20％。	正極(“+”)鐵支架易生銹。特性不穩(wěn)定。
T	具有極好的溫差電動(dòng)勢(shì)線性。在低溫下仍有很好的特性。質(zhì)量變化小。可用于還原氣氛。	低使用限制。正極(“+”)銅支架易氧化。導(dǎo)致重大的熱傳導(dǎo)錯(cuò)誤。

熱電阻

電阻由極細(xì)的金屬線構(gòu)成，主要使用鉑、銅和鎳等材料。符合JIS標(biāo)準(zhǔn)的熱電阻只能由鉑制成。熱電阻由于和熱電偶的測(cè)溫原理完全不同，所以它具備一些自己的特征，具體如下:
    1. 不能進(jìn)行650℃以上的高溫測(cè)量。
    2. 測(cè)量靈敏度約為熱電偶的10倍。
    3. 能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定測(cè)量。
    4. 機(jī)械強(qiáng)度低。
    5. 響應(yīng)慢，不易測(cè)量微小或狹窄的部分。
    6. 通過(guò)測(cè)量電流產(chǎn)生熱量。
    7. 抗干擾性強(qiáng)。
    8. 導(dǎo)線電阻會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差。

熱電阻的溫度電阻率特性如下圖:

金屬的電阻值隨著溫度的升高而增加，0℃時(shí)100Ω的鉑電阻，當(dāng)溫度升高至100℃時(shí)，電阻值為138.5Ω。即溫度每上升或下降一度，電阻變化0.385Ω。

熱電阻的測(cè)溫原理: 熱電阻中通過(guò)一定的電流，用熱電阻兩端的電壓值除以這個(gè)電流值就可以求得熱電阻的電阻值，然后將其換算成溫度。

電路中的電流分為三種: 0.5mA、1mA和2mA三種。電流值超過(guò)容許電流時(shí)會(huì)導(dǎo)致自身加熱，從而容易產(chǎn)生測(cè)量誤差。相反，如果電流過(guò)小，則產(chǎn)生的電壓變低，測(cè)量就會(huì)變得很困難。所以，一般情況下使用2mA，高精度測(cè)量時(shí)使用0.5mA或1mA。

為了克服由于導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量造成的誤差，一般會(huì)采用三線制或四線制補(bǔ)償電路。

三線制測(cè)溫時(shí)，線上電阻r_A和r_B阻值相抵，如果近似相等時(shí)r_A-r_B為零

四線制測(cè)溫時(shí)，在測(cè)量電路上加載恒定電流i，在測(cè)熱電阻電壓的內(nèi)線電路中保證只測(cè)量電壓，而無(wú)電流通過(guò)。

三線制與四線制的區(qū)別在于精度:四線制較三線制測(cè)量精度更高，而四線制需要多一根電纜，成本較三線制更高。

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