热电偶冷端温度补偿方法

由热电偶测温原理可知，热电偶的热电动势的大小不仅与测量端的温度有关，还与冷端温度有关。通常用热电偶测量的是一个热源的温度，或两个热源的温度差。只有当冷端温度保持不变时，热电动势才是测量端温度的单值函数。为此，必须把冷端的温度保持恒定或采用一些方法处理。对于任何一种实际的热电偶，并不是由精确的关系式表示其特性，而是用特性分度表。热电偶分度表及配套的显示仪表都要求冷端温度恒定为0℃，否则将产生测量误差。然而在实际应用中，由于热电偶的冷、热端距离通常很近，冷端受热端及环境温度波动的影响，温度很难保持稳定，保持0℃就更难。因此必须采取措施，消除冷端温度波动及冷端不为0℃时所产生的误差，即需要进行冷端温度补偿。因此，当使用热电偶测量温度时，如果冷端温度保持0℃，则只要正确地测得热电动势，通过对应分度表，即可查得所测的温度。目前已经知道，镍钴—镍铝热电偶在300℃以下，镍铁—镍铜热电偶在50℃以下，铂铑30—铂铑6热电偶在50℃以下的热电动势均非常小。只要实际的冷端温度在其范围内，使用这些热电偶可以不考虑冷端误差，采用不需要冷端补偿的热电偶。

1.0℃恒温法

将热电偶的冷端保持在0℃器皿中，如图7-14所示。此法适用于实验室，它能使冷端温度误差得到完全的克服。

Δ=E_AB（T，T₀）-E_AB（T，0）=-E_AB（T₀，0）

由该式可见，它虽不为零，但为一个定值。只要在回路中加入相应的修正电压，或调整指示装置的起始位置，即可达到完全补偿的目的。

图7-14 冷端0℃恒温

2.补偿导线

当热电偶冷端的温度由于受热端温度的影响，在很大范围内变化时，则直接采用冷端温度补偿法将很困难。当测温仪表与测量点距离较远时，为节省热电偶的材料，通常使用补偿导线。补偿导线由两种不同性质的廉价金属材料制成，在一定温度范围内（0～100℃），与所配接的热电偶具有相同的热电特性，起着延长热电偶冷端的作用。

补偿导线分为延伸型（X）补偿导线和补偿型（C）补偿导线。延伸型补偿导线所用的材料与热电极材料相同；补偿型补偿导线所用的材料与热电极材料不同。使用补偿导线时，要注意补偿导线型号与热电偶型号匹配，正负极与热电偶正负极对应连接，补偿导线所处温度不能超过100℃，否则将造成测量误差。常用热电偶补偿导线如表7-1所示。

表7-1 常用热电偶补偿导线

3.冷端温度补偿

热电偶的分度表和根据分度表刻度的温度仪表，其分度都是指热电偶冷端处在0℃时的电动势，因此在实际测量中，应使冷端保持在0℃，如果冷端不是0℃，则热电偶的电动势为

E（T，0）=E（T，T₀）+E（T₀，0）

式中 T——被测温度；

T₀——冷端的实际温度。

由于冷端的实际温度T₀不等于0℃，必须加上E（T₀，0）这一热电动势进行补偿，否则就将产生测量误差。

冷端温度补偿的方法主要有以下几种。

（1）计算修正法

已知冷端温度为T₀，根据中间温度定律，应进行修正。

工程上经常采用补正系数法实现补偿。设冷端温度为T_n，工作端测得温度场的温度为T₁，其实际温度应为

T=T₁+kT_n

式中 k——补正系数，可从表7-2所示的补正系数表中查得。

表7-2 热电偶补正系数

例如，用镍铬—考铜热电偶测得某温度场温度为600℃，此时冷端温度为30℃，则通过表7-2可查得k值为0.78，则温度场的实际温度为

T=600℃+0.78×30℃=623.4℃

在使用热电偶作温度传感器、系统采用单片机的智能式温度测试系统中，这一修正过程可以自动完成。

（2）机械零位调整法

当冷端温度比较稳定时，工程上常使用仪表机械零位调整法。如动圈仪表的使用，可在仪表未工作时，直接将仪表机械零位调整至冷端温度处。由于外接电动势为零，调整机械零位相当于预先给仪表输入一个电动势E（T₀，0）。当接入热电偶后，热电偶热电动势E（T，T₀）与仪表预置电动势E（T₀，0）叠加，使回路总电动势正好为E（T，0），仪表直接指示出热端温度T。使用仪表机械零位调整法简单方便，但冷端温度发生变化时，应及时断电，重新调整仪表机械零位，使之指示到新的冷端温度上。

（3）冰浴法(https://www.xing528.com)

实验室常采用冰浴法使冷端温度保持为恒定0℃。将热电偶冷端置于有冰水混合物的容器中，使冷端温度保持在0℃不变。它消除了T₀不等于0℃时引入的误差。

（4）冷端补偿器法（补偿电桥法）

冷端补偿器是用来自动补偿热电偶的测量值随冷端温度的变化而变化的一种装置。

冷端补偿器是一个四臂电桥，其中三个桥臂电阻的温度系数为零，另一桥臂采用铜电阻R_Cu（其值随温度变化），放置于热电偶的冷接点处，如图7-15所示。通常取T₀=20℃时电桥平衡（R₁=R₂=R₃=R_Cu=20℃）。此时若不考虑R_s和四臂电桥的负载影响，则

当T₀上升（如T₀=T_n）时，R_Cu上升，有

ΔU_ab上升。

由于U=ΔU_ab+E_AB（T）-E_AB（20）-E_AB（T_n-20）。

而补偿器选择的R_Cu产生的ΔU_ab=E_AB（T_n-20），故U维持公式：

U=E_AB（T）-E_AB（20）

冷端补偿器所产生的不平衡电压正好补偿了由于冷端温度变化引起的热电动势变化值，仪表便可指示出正确的温度测量值。

使用冷端补偿器应注意：

1）由于电桥是在20℃平衡，所以此时应把温度表示的机械零位调整到20℃处。

2）不同型号规格的冷端补偿器应与一定的热电偶配套。

图7-15 冷端补偿器法原理

图7-16 WBC型冷端温度补偿器的工作原理图

图7-16所示是国产WBC型冷端温度补偿器的工作原理图。

由图7-16可知，此种补偿器的内部是一个不平衡电桥，其输出端与热电偶串联。电桥的三个桥臂由电阻温度系数极小的锰铜丝绕制而成，其电阻基本不随温度变化，且R₁=R₂=R₃=1Ω，另一个桥臂电阻R_X由电阻温度系数大的铜丝绕制而成，且20℃时R_X=1Ω，此时电桥平衡，没有电压输出。R_S是限流电阻，阻值因配用的热电偶不同而不同。选择适当的R_S后，电桥的电压输出特性与所配用的热电偶的热电特性相似，且在冷端温度高于20℃时，电桥输出电压与热电偶热电势方向相同，电桥电压的增加量等于热电偶热电动势的减小量；若冷端温度低于20℃，则电桥输出电压与热电偶热电动势方向相反，电桥电压的减小量等于热电偶热电动势的增加量，从而起到了热电偶冷端温度自动补偿的作用。当冷端温度等于20℃时，电桥输出为0，说明此时不需要补偿。所以使用这种冷端温度补偿器时，必须把仪表的零点调到20℃。表7-3所示为几种常用国产冷端温度补偿器性能参数。

表7-3 几种常用国产冷端温度补偿器性能参数

（5）补偿热电偶法

当有多只热电偶配有一台显示仪表时，为了节省补偿导线以及不用特大的恒温槽，可以采用加装补偿热电偶的方法。补偿热电偶的材料一般与所用的热电偶材料相同，有时也用相应的补偿导线代替。

补偿热电偶有两种接法：一种是将补偿热电偶的测量端置于恒温器，其温度为T_n，冷端恒定在T₀，通过连接导线接入测量线路中，如图7-17a所示；另一种是将补偿热电偶的测量端温度恒定在T₀，冷端置于温度为T_n的恒温器内，如图7-17b所示。多点式仪表本身带有转换机构，不需要带有转换开关。

虽说许多金属相互结合都会产生热电效应，但是能做成适于测温的实用热电偶者为数不多。

由于热电偶能直接进行温度—电动势转换，而且体积小、测温范围广，因此，获得了广泛的应用。热电偶的结构除普通型外，还有具有保护外套的所谓铠装（也叫缆式）热电偶、薄膜热电偶等。薄膜热电偶是用真空蒸镀等方法使两种热电极金属蒸镀到绝缘基板上，两者牢固地结合在一起，形成薄膜状热接点。在辐射检测器中，常采用多个热电偶组成热电堆，构成热量型检测器，实现将辐射热转换为相应的电信号。

图7-17 补偿热电偶连接示意图

a）冷端置于T_n b）冷端置于T0