热电偶的工作原理及冷端补偿方法详解
热电偶的工作原理及冷端补偿方法详解
热电偶是工业生产中常用的温度测量元件，其工作原理基于塞贝克效应。本文将详细介绍热电偶的工作原理、冷端补偿方法以及补偿导线的应用，帮助读者深入了解这一重要测温工具的核心技术。
一、工作原理
热电偶作为温度测量仪表中的核心测温元件，其工作原理基于塞贝克效应。这种效应产生于由两种不同材质的导体A和B组成的闭合回路中。当该回路的两端存在温度差异时，回路内便会形成电流，同时产生热电动势。这一原理使得热电偶能够直接测量温度，并将温度信号转化为热电动势信号，再经由温度变送器转换为4-20mA的标准信号，最终引入控制系统进行温度显示。
热电偶的电极A和B通过电弧焊、电熔焊或锡焊等方式紧密相连。这些焊点需要保持圆滑、直径小、接触良好且稳固，以确保热电偶的灵敏度和耐久性得到增强。
热电极由两种具有不同成分的均质导体构成，其中温度较高的一端被指定为工作端T，而温度较低的一端则作为自由端T0，通常维持在恒定温度下。热电动势的产生方向和大小取决于导体的材质以及两接点的温度差异。
这种现象被称为“热电效应”。由两种导体组成的闭合回路被称为“热电偶”，而这两种导体则被特指为“热电极”。在热电偶中，由于导体的材质差异和两接点间的温度差异，会产生一种电动势，这种电动势被称为“热电动势”。基于热电动势与温度之间的函数关系，我们可以编制出热电偶分度表，以供实际使用中的参考。
热电偶的热电势是热电偶工作端的两端温度的函数差，而非热电偶冷端与工作端温度差的函数。在材料均匀的情况下，热电偶的长度和直径不会影响其性能，唯一关键的是热电偶材料的成分以及两端的温差。一旦热电偶的两个热电偶丝的材料成分确定，那么热电势的大小就仅与温度差相关。若保持热电偶冷端的温度恒定，那么热电势就仅是工作端温度的单值函数。
接下来，我们来看一些常用的热电偶分度号：
（1）铂铑10－铂热电偶，其分度号为S，测温范围为0～1600℃。
（2）铂铑30－铂铑6热电偶，其分度号为B，测温范围为0～1700℃。
（3）镍铬－镍硅热电偶，其分度号为K，测温范围为-200～+1200℃。
（4）镍铬－康铜热电偶，其分度号为E，测温范围为-200～+900℃。
二、冷端补偿
分度表是在自由端温度为0℃的条件下得出的。由于不同的热电偶具有不同的分度表，而热电动势与两端温度都相关，因此在实际使用时，若冷端温度无法保持0℃，就会产生测量误差。
为了修正这种误差，我们需要采取一些措施进行冷端补偿。常用的方法包括冷端恒温法、补偿导线法、补偿电桥法以及计算修正法等。
三、补偿导线
补偿导线是在特定温度范围内（通常为0~100℃）具备与所配对的热电偶热电动势相同标称值的一对带有绝缘层的导线。它们被用来连接热电偶与测量装置，从而补偿因连接处温度变化而产生的测量误差。
由于热电偶材料多为贵金属，而补偿导线价格相对亲民，因此常被用于连接热电偶与测量装置。通过这种方式，热电偶输出的温度信号能被有效地传输到远离数百米的控制室，进而输送给显示仪表或控制仪表。
这种补偿导线的作用类似于将热电偶延伸至温度恒定的环境，从而有效解决热电偶冷端在热设备附近可能面临的高温和温度波动问题。在热电偶的安装过程中，这种补偿导线因其便捷性和专用性而得到广泛应用。值得注意的是，不同类型的补偿导线需与特定类型的热电偶配套使用，且正负极性连接必须准确无误。