章鐵軍

摘 要：熱電偶的適用范圍廣泛，盡管看起來十分簡(jiǎn)單，但其工作原理卻較為復(fù)雜。為此，本文主要探討了熱電偶的工作原理和冷端補(bǔ)償工作原理，并通過對(duì)冷端補(bǔ)償?shù)膸讉€(gè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直觀展現(xiàn)了熱電偶冷端補(bǔ)償工作原理。

關(guān)鍵詞：熱電偶；冷端補(bǔ)償；實(shí)驗(yàn)；研究

中圖分類號(hào)：TH811 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

溫度與許多事物息息相關(guān)。人們的生活離不開溫度，生產(chǎn)離不開溫度，因此，溫度的測(cè)量十分重要。而熱電偶亦與溫度密切相關(guān)。熱電偶是常用且重要的溫度測(cè)量元件，除了測(cè)量，其還肩負(fù)將溫度所傳達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)變成其他重要信號(hào)的任務(wù)。由于熱電偶在溫度測(cè)量中頻頻使用，因此就有了各種樣式各異的熱電偶。對(duì)熱電偶冷端補(bǔ)償進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和研究，有助于我們更好地了解熱電偶的用途。

一、熱電偶概述

（一）熱電偶基本概念

溫度的變化會(huì)影響生產(chǎn)和工作，因此，需要一個(gè)穩(wěn)定、方便、準(zhǔn)確度高的工具進(jìn)行測(cè)量，熱電偶就是這樣一種元件，其測(cè)量溫度的結(jié)果通常令人比較滿意，因此備受人們信賴。作為連接不同信號(hào)的橋梁，熱電偶的響應(yīng)與轉(zhuǎn)換速度極快。熱電偶和其他溫度測(cè)量的不同之處主要在于外表的區(qū)別，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)則基本相同，這是由熱電偶的作用所決定的。

（二）熱電偶工作原理

熱電偶是由兩個(gè)不同導(dǎo)體或者說兩個(gè)半導(dǎo)體組成的回路。回路的本質(zhì)是導(dǎo)體的相互關(guān)聯(lián)，連接之后必然會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)端點(diǎn)，溫度相同暫不討論，這里要重點(diǎn)研究溫度不同的兩端。在溫度不同的情況下，必定會(huì)有溫度差，造成溫度差是由于兩端溫度一高一低，這兩個(gè)因溫度存在差異的端點(diǎn)就有了明確的區(qū)分：一個(gè)是熱端，一個(gè)是冷端。由于熱端和冷端分子運(yùn)動(dòng)的速率不同，所以，由熱端和冷端組成的熱電偶中會(huì)迅速形成一個(gè)電動(dòng)勢(shì)，這就是熱電偶迅速響應(yīng)溫度后轉(zhuǎn)化成的信號(hào)，即熱電動(dòng)勢(shì)。除了溫度，由于不同導(dǎo)體的電阻率不同，所以，導(dǎo)體的材料也影響到熱電動(dòng)勢(shì)。

二、熱電偶冷端補(bǔ)償原理

冷端補(bǔ)償，與冷端溫度有關(guān)。根據(jù)能量守恒定律，冷端的溫度會(huì)隨著電流的運(yùn)動(dòng)而上升，熱端的溫度會(huì)隨之降低，從而讓熱端和冷端之間的溫度差接近，那么就會(huì)影響測(cè)量的結(jié)果。此外，這個(gè)過程還會(huì)發(fā)生溫度的散失，熱端和冷端的溫度都會(huì)隨著時(shí)間的推移，慢慢和常溫接近，并且線路由于電流的存在會(huì)發(fā)生熱散失，因此，就必須做出補(bǔ)償。

三、熱電偶冷端溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1 冰點(diǎn)槽法實(shí)驗(yàn)設(shè)備

熱電偶，冰水混合物容器，兩支玻璃試管。

2 零點(diǎn)遷移法實(shí)驗(yàn)設(shè)備

熱電偶，儀表。

3 冷端補(bǔ)償器法實(shí)驗(yàn)設(shè)備

熱電偶，若干根錳、銅金屬絲，直流電源。

（二）實(shí)驗(yàn)原理和內(nèi)容

所有方法的實(shí)驗(yàn)原理均遵從于熱電偶冷端補(bǔ)償?shù)幕驹砗头椒?。?shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以冰點(diǎn)槽法、零點(diǎn)遷移法、冷端補(bǔ)償器法為主，通過各自不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備展現(xiàn)冷端補(bǔ)償過程，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

（三）實(shí)驗(yàn)步驟

1 冰點(diǎn)槽法實(shí)驗(yàn)步驟

第一，將盛滿冰水混合物的容器準(zhǔn)備妥當(dāng)；第二，將冷端浸入此容器中，使溫度達(dá)到理想狀態(tài)；第三，保持冷端溫度為零度；第四，為了提高實(shí)驗(yàn)的安全性，將預(yù)先準(zhǔn)備的兩支玻璃試管中依次放入兩個(gè)結(jié)點(diǎn)；第五，為了達(dá)到良好的絕緣效果，將兩支穩(wěn)穩(wěn)放置結(jié)點(diǎn)的玻璃管浸入冰水混合物的容器中。

2 零點(diǎn)遷移法實(shí)驗(yàn)步驟

第一，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度穩(wěn)定；第二，將儀表調(diào)到常溫狀態(tài)下的刻度；第三，確定熱電偶冷端溫度與室內(nèi)溫度一致；第四，確定熱電偶熱端溫度與室內(nèi)溫度一致；第五，確定熱電偶兩端溫度一致后，觀察指針的溫度值。

3 冷端補(bǔ)償器法實(shí)驗(yàn)步驟

第一，預(yù)備不同材質(zhì)的金屬絲如錳、銅絲，將其相連成由四根金屬絲和電源形成的電橋；第二，在零度的溫度下保持電橋平衡，觀察儀表指針有沒有發(fā)生改變；第三，以4V直流電源進(jìn)行供電，在不同溫度下觀察儀表指針變化。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1 冰點(diǎn)槽法

通過實(shí)驗(yàn)可知，冰點(diǎn)槽法因其冰水混合物的溫度為零度，是熱電偶冷端補(bǔ)償中最理想的狀態(tài)，但只能用于實(shí)驗(yàn)之中。

2 零點(diǎn)遷移法

零點(diǎn)遷移法實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)溫度恒定的環(huán)境下進(jìn)行，但不是零度。通過實(shí)驗(yàn)可知，在熱電偶冷端溫度恒定不變的條件下，通過適當(dāng)調(diào)整儀表值即可實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。

3 冷端補(bǔ)償器法

冷端補(bǔ)償器法的本質(zhì)就是從保持電橋平衡到不平衡的狀態(tài)下使熱電動(dòng)勢(shì)發(fā)生變化，從而達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

除了以上三種方法之外，冷端補(bǔ)償方法還有計(jì)算修正法、補(bǔ)正系數(shù)法、軟件處理法。前兩種主要是通過計(jì)算的方式，計(jì)算修正法比補(bǔ)正系數(shù)法的誤差更小。

補(bǔ)正系數(shù)法用公式表達(dá)：

T=T′+K×TH

式中：T—為未知的被測(cè)溫度；T′—為參考端在室溫下熱電偶電勢(shì)與分度表上對(duì)應(yīng)的某個(gè)溫度；TH—室溫；k—為補(bǔ)正系數(shù)。

計(jì)算修正法是根據(jù)常溫計(jì)算熱電偶冷端實(shí)際溫度TH，公式如下：

EAB（T， T0）=EAB（T， TH）+EAB（TH， T0）

軟件處理法則主要利用計(jì)算機(jī)來處理，冷端溫度恒定時(shí)正常補(bǔ)償即可。冷端溫度變化多端時(shí)，就需要考慮將多個(gè)熱電偶冷端集中處理。

結(jié)論

熱電偶的適用范圍廣泛，盡管看起來十分簡(jiǎn)單，但其工作原理卻較為復(fù)雜。在實(shí)際情況中，冷端溫度不可能一成不變，所以就要進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。本文通過對(duì)冷端補(bǔ)償中的幾個(gè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，旨在進(jìn)一步幫助各位了解熱電偶冷端補(bǔ)償工作原理。有關(guān)補(bǔ)償?shù)恼`差問題，還需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

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