熱電偶溫度補償原理詳解

上面這個圖，是熱電偶簡單(典型)的應用方式。

圖中：T1 - 測量端溫度

T2 - 接線盒溫度

T3 - 控制室溫度(物理上的冷端溫度)

T0 - 冷端補償電路的補償溫度點(理論上的冷端溫度)

從這個圖可以知道，測量所需的熱電偶溫差電勢 E(T1,T0)，實際上是由三個電勢疊加構成的：

E(T1,T2) - 熱電偶測溫元件產生的電勢

E(T2,T3) - 補償導線產生的電勢

E(T3,T0) - 冷端補償電路產生的電勢

這樣一理順，就可以輕松理解關于冷端補償?shù)膸讉€常見問題：

1、補償導線補償?shù)氖菧y溫元件接線處溫度與控制室溫度之差;

2、補償電路補償?shù)氖强刂剖覝囟扰c需要固定的理論上的冷端溫度之差;

3、熱電偶及補償導線用反了的后果。例如：

當熱電偶與補償導線連接處的溫度高于控制室溫度時， 補償導線的補償電勢為正，應該是熱電偶產生的熱電勢加上補償導線產生的補償電勢，接反了相當于加上了一個負值會使指示偏低;

當熱電偶與補償導線連接處的溫度低于控制室溫度時， 補償導線的補償電勢為負，應該是熱電偶產生的熱電勢減去補償導線產生的補償電勢，接反了相當于減去了一個負值會使指示偏高;

當熱電偶與補償導線連接處的溫度等于控制室溫度時，補償導線的補償電勢為零，對測量不產生影響(也就是顯示室溫)。

熱電偶溫度變送器或卡件，都有溫度補償電路。其作用是根據(jù)熱電偶中間溫度定律-“熱電偶回路兩接點(溫度為T、T0)間的熱電勢，等于熱電偶在溫度為T、Tn時的熱電勢與在溫度為Tn、T0時的熱電勢的代數(shù)和。Tn稱中間溫度”。在熱電偶冷端溫度產生一個溫度為Tn、T0時的熱電勢。來對熱電偶冷端溫度的不確定進行補償。它實質上，就是能產生一個隨參考端環(huán)境溫度變化而變化的直流毫伏信號。把它串接在熱電偶測量回路中測溫時，就可以使參考端溫度得到自動補償。

采用熱電偶冷端補償電路的根本原因，在于冷端溫度的不確定。雖然熱電偶的分度標準是以零度為基準的;雖然通常以冷端為零度作為基準來解釋溫度補償原理。但在實際上，如果冷端溫度可以固定下來，則只需計算出T(T,To)和T(T,Tn)之間的差值，在指示過程中人為制造一個相反的誤差，來抵消冷端溫度不為零會帶來誤差。就可以得到正確的測量值。

所以冷端補償電路在溫度補償中，不一定非要以零度作為基準。同時，熱電偶的冷端補償電路往往有一個適應范圍，超出這個范圍就無法滿足補償?shù)囊蟆倪m應環(huán)境，降低成本，簡化線路，減小體積 等多方面因素出發(fā)，選擇一個適合的，不為零的溫度點作為冷端補償電路的補償基準，就成為一種常見的做法。這個冷端補償電路的補償基準，稱為補償電路的補償溫度。每臺有冷端補償功能的儀表或卡件，都有這個指標。(如果沒有標出則默認為0℃，常見于帶冷端補償?shù)臏囟戎甘緝x和溫度變送器)

補償溫度的意義在于：熱電偶的溫差電勢E(T,Tn)與補償電路的補償電勢E(TN,Tn)之和，等于熱電偶工作端與補償溫度之間的電勢E(T,TN)。

當補償電路的補償溫度點TN≠0℃時，會產生一個補償溫度點TN=冷端基準溫度T0=0℃時極少遇到的問題。即環(huán)境Tn(熱電偶冷端)溫度低于補償溫度點TN。

對于測量需要的熱電勢，有：

E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

式中：E(T,T0)以0℃為基準的測量熱電勢

E(T,Tn)熱電偶工作端與室溫(冷端)之間的溫差電勢E(TN,Tn) 補償電路針對補償溫度和室溫(冷端)之間的溫差產生的補償電勢

E(TN,T0) 補償溫度和基準溫度(0℃)之間的溫差電勢(實際應用中有時不必以電勢的形式出現(xiàn)。例如，可以將后續(xù)電路或指示儀表的零點設置為TN。)

當 TN=T0 時，E(TN,T0)=0;E(TN,Tn)=E(Tn,T0)

這時 E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

=E(T,Tn)+E(Tn,T0)

當 TN≠T0，TN≤Tn 時，E(Tn,TN)+E(TN,T0)=E(Tn,T0)

這時 E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

=E(T,Tn)+E(Tn,T0)

當 TN≠T0，TN>Tn 時，E(TN,Tn) 是一個負值

這時 E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

=E(T,Tn)+[-E(TN,Tn)]+E(TN,T0)

=E(T,Tn)-E(TN,Tn)+E(TN,T0)

∵ E(TN,T0)-E(TN,Tn)=E(Tn,T0)

∴ E(T,T0)=E(T,Tn)+E(Tn,T0)

可見，無論補償溫度是否設置為0，對于整個熱電偶測量系統(tǒng)來說，結果是一樣的。

但是，補償溫度是否設置為0℃，對于熱電偶測量系統(tǒng)不同部分的應用，會有所區(qū)別。下面是一些個人體會。大家可以討論補充。

冷端補償可以分為動態(tài)補償 E(TN,Tn) 和 定值補償 E(TN,T0) 兩個部分。(這個名稱是我起的，僅為描述方便)顯然，如果動態(tài)補償和定值補償在同一設備中，或者雖然不在同一設備中但可以將兩項功能看做一體時，其外在表現(xiàn)就是補償溫度為0℃。除了分析電路外，在實際應用中，無論其工作過程是怎樣的，都應看做補償溫度為0℃。動態(tài)補償和定值補償可以在不同設備或單元中實現(xiàn)。

對于補償單元來說，會將熱電偶的電勢信號從E(T,Tn)裁接成E(T,TN)。當補償單元的輸入為0時，輸出為TN。這和補償溫度沒有關系。但對于習慣了補償溫度為0℃的人來說，容易造成困惑。

對于補償單元之后的部分(如顯示儀)來說，需要產生一個相當于E(TN,T0)的信號。換句話說，就是當顯示儀輸入為0時(不帶補償器)，顯示儀應當指示TN。對于習慣了TN=T0=0℃的人來說，容易產生疏忽。

將補償?shù)臏囟确秶闹悬c設置在冷端所處環(huán)境溫度變化中點，是一種提高器件性價比的方式。所以采用補償溫度不為0℃的補償單元，在設計時都會有自身的考慮。

例如把補償溫度設為常見的室內平均環(huán)境溫度20℃;再如在密集安裝的熱電偶輸入卡件會采用30℃的補償溫度;一些現(xiàn)場安裝的補償單元甚至會定為50℃。

需要注意的是，在一些補償溫度明顯高于通常會產生的環(huán)境溫度的情況下，如密集安裝的熱電偶輸入卡件將補償溫度定為30℃。有很大可能熱電偶冷端所處的實際位置(卡件內部)的溫度會高于環(huán)境溫度。如果拿控制室墻上的溫度計當作冷端溫度往往會產生偏差。(個人經驗：這時候直接拿補償溫度作為冷端溫度，偏差不會太大。)

審核編輯：湯梓紅