再谈热电偶冷端温度补偿

　　1　热电偶及测量原理

　　热电偶是工业上最常用的一种测温元件。热电偶测量温度的基本原理基于两根不同材料的导体接成闭合回路,如果它们的两个接点的温度不同(设t>t0),则在该回路中就会产生热电势,如图1,这就是热电现象。由于它结构简单、成本低、使用方便、精度高、应用广,所以在国内国际得到广泛的应用。

　　从物理现象来看两种不同的金属,它们的自由电子密度是不同的,设金属A中的自由电子密度大于金属B中的自由电子密度,那么金属A的电子密度大,其压强也大,当金属互相接触时,在两种金属的交界处电子扩散的总趋势是从金属A扩散到金属B,使金属A因失去电子带正电,金属B得到电子带负电,且温度越高金属中的自由电子就越活跃,因而产生的电势也越高[1]。由于这个电势只和温度有关即线性关系,故称为热电势。把导体的另一端也闭合,形成闭合回路,如图2。RA、R为热偶丝的等效电阻。图片2

　　设t>t0,由于两端的温度不同就产生了两个大小不等,方向相反的热电势EAB(t)和EAB(t0),根据克希荷夫定律,图2中此回路中的热电势Ett0为:

　　式中

　　Ett0:热电偶输出电势;

　　Et:热电偶热端电势;

　　Et0:热电偶冷端电势

　　由式(1)可以看出热电势Ett0等于热电偶两端热电势的代数和,即:热电偶输出电势等于热电偶的热端电势减去热电偶的冷端电势。这就是利用热电现象来测量温度的原理。

　　2　冷端的形成和加入第三种材质

　　可以选择符合一定要求的两种不同材质的导体,将其一端焊接起来就构成了一支热电偶。焊点的一端插入测温对象(测温介质中)称为热端或工作端,另一端称为冷端或自由端。再将其微弱的电压信号转换放大,提供给指示、调节、分析等系统。但是在实际的应用中不论是就地、远程、集中显示或调节等均和热端(工作端)有一段或较长的距离,这就需要把热电偶延长,但要按热电偶的材质延长是非常不经济的,为了不影响测量效果又要降低投资,所以人们选择了一种在一定条件下与热电偶的热电特性一样的导线(补偿导线)。但为了安装、检修、校验等方便,热电偶和补偿导线、补偿导线和指示系统都是用铜端子压接的,故在这个回路中就相当于接入了第三种材质C如图3所示

　　由图3可以看出, to1和to2是热电偶接线盒里的接线端子,所以to1和to2温度相等即to1=to2.

　　因为

　　将式(3)、(4)、(5)代入式(2)得:

　　由此可以得出结论:在同一温度下加入第三种材质是不会影响热电偶的测量结果的。