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(yuǎn)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(yuǎn)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(dāng)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(dāng)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(biāo)。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?；谶@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(dāng)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(dān)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(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)過程中無需擔(dān)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(zhǔn)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(dāng)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。