熱電偶傳感器的工作原理與冷端補(bǔ)償方法

上海自動(dòng)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(cè)量遠(yuǎn)高于RTD（熱電阻）的高溫度。熱電偶以其堅(jiān)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(shí)際應(yīng)用中已足夠滿足需求。此外，熱電偶價(jià)格親民，且其測(cè)量電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，無(wú)需激勵(lì)電流，使得電路制作更為便捷。針對(duì)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(cè)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(diǎn)處于不同溫度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電流，進(jìn)而在開(kāi)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(huì)問(wèn)：那電線的另一端，即冷端，又是怎么回事呢？當(dāng)我們實(shí)際測(cè)量熱電偶的電壓時(shí)，通常會(huì)將熱電偶線與萬(wàn)用表相連。這里需要注意的是，萬(wàn)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(wàn)用表連接處，我們又創(chuàng)建了一個(gè)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(diǎn)，即“熱端”，不僅是測(cè)量溫度的所在位置，還是產(chǎn)生電壓U1的地方。這個(gè)U1正是我們希望測(cè)量的目標(biāo)。而在“冷端”點(diǎn)，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(huì)產(chǎn)生電壓U2和U3。但出于測(cè)量目的，我們并不希望測(cè)量這些電壓，因此需要采取措施消除或補(bǔ)償它們。

值得一提的是，熱電偶結(jié)點(diǎn)在0°C（32°F）的環(huán)境下不會(huì)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(shí)，該連接處就不會(huì)產(chǎn)生電壓，從而無(wú)需擔(dān)憂冷端的影響。

然而，實(shí)際情況中，冷端往往無(wú)法維持在0°C，因此需要借助信號(hào)調(diào)節(jié)電子器件來(lái)準(zhǔn)確解釋輸出電壓。這就是所謂的冷端補(bǔ)償（CJC），它是確保測(cè)量準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)代測(cè)量裝置，如變送器、DCS輸入卡或溫度校驗(yàn)儀，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量冷端溫度，并自動(dòng)對(duì)冷端誤差進(jìn)行在線補(bǔ)償。由于這些設(shè)備能夠識(shí)別熱電偶的類型（通過(guò)菜單選擇），因此可以連續(xù)自動(dòng)地進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算。

這種自動(dòng)化的補(bǔ)償方法使得在正常測(cè)量和校準(zhǔn)過(guò)程中無(wú)需擔(dān)心冷端問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量過(guò)程。用戶只需將熱電偶線插入設(shè)備即可完成測(cè)量，確保了測(cè)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(cè)溫度輸出相應(yīng)的毫伏值。這些毫伏信號(hào)隨后被傳送至溫度變送器，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，變送器將毫伏信號(hào)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(gè)不同的導(dǎo)體在兩端形成結(jié)點(diǎn)，且這兩個(gè)結(jié)點(diǎn)處于不同的溫度時(shí)，會(huì)自發(fā)產(chǎn)生電流，從熱結(jié)點(diǎn)流向冷結(jié)點(diǎn)。這種電流所產(chǎn)生的電勢(shì)差以毫伏為單位，與熱端和冷端之間的溫差（即待測(cè)溫度）呈正比。

如前所述，上海自動(dòng)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(huì)產(chǎn)生額外的結(jié)點(diǎn)，如上圖所示。這樣的結(jié)點(diǎn)會(huì)干擾毫伏的產(chǎn)生，進(jìn)而導(dǎo)致溫度測(cè)量出現(xiàn)偏差。為了避免此類測(cè)量誤差，我們應(yīng)選用專門(mén)設(shè)計(jì)的電纜，即熱電偶延長(zhǎng)電纜或熱電偶補(bǔ)償電纜。