熱電偶傳感器的工作原理與冷端補償方法

上海自動化儀表熱電偶中的“冷端”也常被稱作“參比端”。這種溫度傳感器在加工廠中非常普遍，能夠測量遠高于RTD（熱電阻）的高溫度。熱電偶以其堅固耐用而著稱，不易受損。盡管其精度略遜于RTD傳感器，但在許多實際應(yīng)用中已足夠滿足需求。此外，熱電偶價格親民，且其測量電路設(shè)計相對簡單，無需激勵電流，使得電路制作更為便捷。針對不同應(yīng)用，市面上存在多種優(yōu)化的熱電偶類型可供選擇。

那么，熱電偶是如何工作的呢？

熱電偶的核心在于其兩根由不同電導(dǎo)體制成的電線。這兩根電線在“熱”端（即測量溫度的一端）連接在一起，而遠離熱端的則被稱為“冷端”。根據(jù)托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck）在1821年的發(fā)現(xiàn)，當這兩根電線的連接點處于不同溫度時，會產(chǎn)生電流，進而在開路端的電線間形成微小電壓。這種電壓與溫度及所使用的導(dǎo)線材料密切相關(guān)，被命名為塞貝克效應(yīng)。

在熱電偶的工作原理圖中，電壓是在“熱”端連接處產(chǎn)生的，這里涉及兩種不同導(dǎo)體的連接。但大家可能會問：那電線的另一端，即冷端，又是怎么回事呢？當我們實際測量熱電偶的電壓時，通常會將熱電偶線與萬用表相連。這里需要注意的是，萬用表的連接材料通常是銅或鍍金，這與熱電偶的材料是不同的。因此，在萬用表連接處，我們又創(chuàng)建了一個新的熱電偶。

上圖中，材料1和材料2是構(gòu)成熱電偶的兩種關(guān)鍵材料。它們的焊接點，即“熱端”，不僅是測量溫度的所在位置，還是產(chǎn)生電壓U1的地方。這個U1正是我們希望測量的目標。而在“冷端”點，熱電偶與電壓表相連，該電壓表由不同材料（即材料3）制成。在這些連接處，會產(chǎn)生電壓U2和U3。但出于測量目的，我們并不希望測量這些電壓，因此需要采取措施消除或補償它們。

值得一提的是，熱電偶結(jié)點在0°C（32°F）的環(huán)境下不會產(chǎn)生任何電壓。基于這一特性，我們可以選擇在該溫度下安置冷端，例如使用冰浴或溫度塊。這樣，當熱電偶線與冰浴中的銅線相連時，該連接處就不會產(chǎn)生電壓，從而無需擔憂冷端的影響。

然而，實際情況中，冷端往往無法維持在0°C，因此需要借助信號調(diào)節(jié)電子器件來準確解釋輸出電壓。這就是所謂的冷端補償（CJC），它是確保測量準確性的關(guān)鍵步驟。

幸運的是，現(xiàn)代測量裝置，如變送器、DCS輸入卡或溫度校驗儀，能夠?qū)崟r測量冷端溫度，并自動對冷端誤差進行在線補償。由于這些設(shè)備能夠識別熱電偶的類型（通過菜單選擇），因此可以連續(xù)自動地進行補償計算。

這種自動化的補償方法使得在正常測量和校準過程中無需擔心冷端問題，大大簡化了測量過程。用戶只需將熱電偶線插入設(shè)備即可完成測量，確保了測量的準確性和便捷性。

熱電偶作為核心的溫度傳感元件，能夠根據(jù)所測溫度輸出相應(yīng)的毫伏值。這些毫伏信號隨后被傳送至溫度變送器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，變送器將毫伏信號轉(zhuǎn)變?yōu)?至20mA的電流輸出，這一輸出隨后與控制系統(tǒng)（如PLC/DCS/ESD）相連結(jié)。熱電偶與變送器的安裝位置可靈活調(diào)整，而連接兩者的電纜則是必不可少的。

熱電偶的工作原理基于塞貝克效應(yīng)，這一效應(yīng)指出，當兩個不同的導(dǎo)體在兩端形成結(jié)點，且這兩個結(jié)點處于不同的溫度時，會自發(fā)產(chǎn)生電流，從熱結(jié)點流向冷結(jié)點。這種電流所產(chǎn)生的電勢差以毫伏為單位，與熱端和冷端之間的溫差（即待測溫度）呈正比。

如前所述，上海自動化儀表為了連接熱電偶與溫度變送器，我們需要使用外部電纜。這種電纜可能由銅或特定類型的熱電偶材料制成。然而，若我們選用銅電纜，則因熱電偶材料與電纜材質(zhì)不同，會產(chǎn)生額外的結(jié)點，如上圖所示。這樣的結(jié)點會干擾毫伏的產(chǎn)生，進而導(dǎo)致溫度測量出現(xiàn)偏差。為了避免此類測量誤差，我們應(yīng)選用專門設(shè)計的電纜，即熱電偶延長電纜或熱電偶補償電纜。