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 經(jīng)常使用熱電偶的人可能也并不是那么了解熱電偶冷端（參考）究竟是如何工作的。為了能夠討論冷端，我們首先需要對(duì)熱電偶理論和熱電偶的工作原理做一個(gè)簡(jiǎn)短的了解。

 ● 冷端或參考端

 熱電偶“冷端”通常被稱(chēng)為“參考端”，但在我們看來(lái)人們更經(jīng)常使用“冷端”這個(gè)詞。

 熱電偶是工業(yè)中常見(jiàn)的溫度傳感器。熱電偶的一些優(yōu)點(diǎn)使其得到廣泛應(yīng)用。它們可用于測(cè)量非常高的溫度，遠(yuǎn)高于電阻式溫度傳感器（RTD）。熱電偶也是一個(gè)非常堅(jiān)固的傳感器，所以它不容易斷裂。盡管熱電偶不如電阻式溫度傳感器準(zhǔn)確，但在許多應(yīng)用中它們的準(zhǔn)確度足夠達(dá)到要求。

 ● 熱電偶是如何工作的

 熱電偶由兩條不同的電導(dǎo)體制成的導(dǎo)線組成，它們的一端連接在一起（“熱”端），這是用來(lái)測(cè)量溫度的一端。正如1821年托馬斯·約翰·塞貝克（Thomas Johann Seebeck）發(fā)現(xiàn)的那樣，當(dāng)這些電線的連接點(diǎn)被置于不同的溫度下時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱電流，從而在開(kāi)口端的電線之間產(chǎn)生一個(gè)很小的電壓。電壓取決于溫度和所用導(dǎo)線的材料。這種效應(yīng)被稱(chēng)為“塞貝克效應(yīng)”。

 上圖中“熱電偶材料1和2”代表熱電偶所用的兩種不同材料?！癟1”是熱電偶的熱端，即用于測(cè)量溫度的點(diǎn)。兩個(gè)“TCJ”是冷端的溫度。因?yàn)闊犭娕冀z中的溫度梯度，一直在“熱”和“冷”端之間產(chǎn)生熱電壓。所以，不是連接點(diǎn)產(chǎn)生了電壓，而是沿著電線的溫度梯度產(chǎn)生了電壓。但熱電壓是在冷熱端之間產(chǎn)生的這一解釋更容易被理解。

 ● 熱電偶類(lèi)型和材料

 有許多類(lèi)型的熱電偶由不同的材料和合金制造。不同的材料會(huì)導(dǎo)致不同的靈敏度，在相同的溫度下產(chǎn)生不同的熱電壓，并會(huì)影響其他特性。幾種不同的熱電偶類(lèi)型已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并為所使用的指定材料提供了名稱(chēng)。名稱(chēng)通常非常短，通常只有一個(gè)字母,如 K、R、S、J、K 等類(lèi)型。

 由于不同的熱電偶是由不同的材料制成的，因此熱電電壓也不同，如下圖所示。在同一溫度下，不同類(lèi)型之間產(chǎn)生的電壓相差很大。

 ● 熱電偶的賽貝克系數(shù)

 如果您想測(cè)量較低的溫度，顯然最好使用更敏感的類(lèi)型，因?yàn)樗鼈兲峁└叩碾妷?，更容易測(cè)量。但如果您需要去高溫，可能要選擇一些不太敏感的類(lèi)型，可以在極端高溫下使用。賽貝克系數(shù)表示熱電偶的電壓相對(duì)于溫度的變化有多大。上圖說(shuō)明了不同熱電偶之間的不同靈敏度，也解釋了為什么熱電偶校驗(yàn)儀對(duì)于不同類(lèi)型的熱電偶通常具有不同的精度等級(jí)。

 ● 冷端

我們展示了簡(jiǎn)化的熱電偶原理圖，顯示兩個(gè)不同的導(dǎo)體連接在一起在“熱端”連接中產(chǎn)生了熱電壓。這時(shí)候，您會(huì)問(wèn)的大問(wèn)題應(yīng)該是“電線的另一端呢？”當(dāng)您測(cè)量熱電偶的電壓時(shí)，您可以把熱電偶的導(dǎo)線連接到電壓表上。電壓表連接材料通常是銅或銅鍍金的，因此它與熱電偶材料不同，這意味著您在電壓表連接中創(chuàng)建了兩個(gè)新的熱電偶！

 在上圖中，材料1和材料2是形成熱電偶的兩個(gè)熱電偶材料?！盁岫恕笔撬鼈兒附釉谝黄鸬狞c(diǎn)，這是測(cè)量過(guò)程溫度的點(diǎn)，也是產(chǎn)生電壓U1的點(diǎn)。這個(gè)U1是我們要測(cè)量的。在“冷端”點(diǎn)，熱電偶與電壓表相連，電壓表的連接由不同的材料（材料3）制成。只要這些不同材料處于同樣環(huán)境溫度中，它們產(chǎn)生的額外電壓U2、U3對(duì)總的熱電壓不產(chǎn)生影響。分度表中的熱電壓是冷端處于0℃時(shí)，熱端到冷端的熱梯度產(chǎn)生的電壓集。但實(shí)際應(yīng)用中，溫度變送器與熱電偶冷端的環(huán)境溫度絕大多數(shù)情況下不是0℃。所以，在使用分度表計(jì)算熱端溫度時(shí)必須去除冷端溫度所產(chǎn)生的影響，也稱(chēng)為冷端補(bǔ)償。

 ● 冷端選擇和補(bǔ)償方法

1.冰點(diǎn)槽法

 根據(jù)其性質(zhì)，熱電偶接頭在0°C（32°F）溫度下不會(huì)產(chǎn)生任何熱電壓。所以，您可以在那個(gè)溫度下連接冷端，例如在冰點(diǎn)槽中或者精確的溫度校準(zhǔn)爐中。在冰點(diǎn)槽中將熱電偶導(dǎo)線連接到銅線上，而在連接過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生熱電壓。那么您就不必?fù)?dān)心冷端了。連接需要與冰槽中的水進(jìn)行電氣隔離，以避免任何泄漏電流導(dǎo)致錯(cuò)誤或可能產(chǎn)生腐蝕。這是一種非常精確的方法，校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室通常會(huì)這樣做。在工廠，這是不太實(shí)際的，所以通常不用于工廠。

2.固定溫度下的冷端

 由于冰槽被發(fā)現(xiàn)是不切實(shí)際的，您也可以在已知的、固定的溫度做冷端連接?？梢允褂靡粋€(gè)小的接線盒，它有一個(gè)溫度控制裝置，使接線盒始終保持一定的溫度。通常情況下，溫度高于環(huán)境溫度，所以箱子只需要加熱，而不需要冷卻。

 當(dāng)您知道冷端的溫度，也知道熱電偶的類(lèi)型，就可以計(jì)算和補(bǔ)償冷端的熱電壓。許多測(cè)量設(shè)備或溫度校驗(yàn)儀都具有輸入冷端溫度的功能，設(shè)備將為您進(jìn)行所有計(jì)算并進(jìn)行補(bǔ)償。

3.測(cè)量冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償

 將其留給測(cè)量設(shè)備來(lái)自動(dòng)計(jì)算。測(cè)量裝置（變送器、DCS輸入卡）可隨時(shí)測(cè)量冷端溫度，并自動(dòng)在線補(bǔ)償冷端誤差。由于測(cè)量裝置也知道熱電偶的類(lèi)型，所以可以自動(dòng)連續(xù)地進(jìn)行補(bǔ)償。

 這必然是在正常測(cè)量和校準(zhǔn)中補(bǔ)償冷端的最簡(jiǎn)單和最實(shí)用的方法，因?yàn)槟恍枰獡?dān)心冷端，而是讓設(shè)備來(lái)處理。

 ● NCS-TT106的冷端補(bǔ)償

 沈陽(yáng)中科博微科技股份有限公司的模塊化溫度變送器產(chǎn)品有HART、PROFIBUS PA、FF H1三種協(xié)議。

 支持上述所有冷端補(bǔ)償方式，其中測(cè)量冷端溫度的自動(dòng)補(bǔ)償有兩方法。可以選擇使用NCS-TT106內(nèi)置貼近接線端子的溫度傳感器，也可以選用外接的鉑電阻溫度傳感器。內(nèi)置溫度傳感器的溫度測(cè)量精度為±0.5℃,外接PT100鉑電阻溫度傳感器時(shí)，溫度測(cè)量精度為±0.15℃。

沈陽(yáng)中科博微科技股份有限公司

                                                                                                        產(chǎn)品事業(yè)部    2023.05.04