热电偶冷端温度智能补偿方法分析

　　随着科学技术的不断发展，人们的安全意识不断增强，各单位对设备的要求越来越趋于智能化、一体化，对各种仪表精度的要求也越来越高。因此计量部门在检定仪表的过程中，应尽量降低不确定度，检测过程也应该向智能化靠近。由于传统的热电偶检定存在冷端补偿问题，一般补偿方法不确定度比较大，急需改进，笔者提出了一种智能补偿方法———微机补偿，以更准确地对高准确度、多功能和智能化的测温仪表进行计量检测。

　　1 热电偶测温原理*

　　热电偶是一种接触式测温传感器，它与相应的温度指示仪表配合使用，可以准确地测量、控制、调节被测物体的温度，具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体小以及容易维护等优点[1]。通过热电偶将温度信号转换成电信号，便于信号的远传，实现多点切换测量，因此在工业生产和科学研究领域中得到了广泛地应用[2]。

　　热电偶测温原理是基于金属导体的热电效应，热电效应产生的电势是由两种不同效应引起的，即帕尔帖( Peltier) 效应和汤姆逊( Thomson) 效应。

　　帕尔帖效应是当两种金属连结在一起时，由于不同导体内自由电子的密度不同，在结点处会发生电子扩散，电子密度大的金属其自由电子会向电子密度小的导体扩散，此时电子密度大的金属由于失去电子而带正电，相反电子密度小的金属由于获得了扩散来的多余电子而带负电，这种扩散一直到达到动态平衡为止。此时，将具有一定的稳定的接触电势，该接触电势除了与材料的性质有关外，还与结点温度有关，接触电势( 帕尔帖电势) 为:

　　单一均质导体在不同温度下，自由电子具有不同的动能。温度高时动能大，动能大的电子就会向温度低的一端跑去，所以在同一导体内，当两端温度不同时，两端也会产生一定大小的电位差( 汤姆逊电势) ，此现象称为汤姆逊效应。该温差电势可表示为:

　　因此，热电偶实际反应的是偶丝两端，即测量端( 工作端) 与冷端( 参考端) 的温度差。在实际测量中，不仅要测量热电偶由于温差产生的热电势，而且必须知道热电偶冷端的温度，这样才能最终测出热电偶测量端的温度。

　　2 传统冷端补偿方法及其存在的问题

　　热电偶的测温标定是在冷端温度 t =0℃时标定的，但实际环境温度并非 0℃。为了消除冷端温度带来的误差，以往主要采用两种冷端温度补偿法: 一种是冰点法，将热电偶冷端放入冰水混合物或零度恒温器中，这样热电偶冷端的温度就是0℃ ，该方法的优点是误差小，在大部分情况下，误差可忽略不计，缺点是冰水混合物制作麻烦，不仅要进行初期制作，时间长了还要进行维护，对冰水混合物进行补充、更换，而 0℃恒温器一般容量有限( 受热电偶直径的限制) ，最多只能放 5、6 支热电偶，而且热电偶冷端还必须另外将铜导线接入温度指示仪表，因此一般只在实验室中采用这种方法; 另一种是冷端补偿法，将热电偶冷端直接接入测量仪表，测量热电偶冷端的温度，根据冷端温度值换算成一定的热电势值加入到测量数据中，从而得到热电偶测量端的温度值，该方法的优点是简便，热电偶直接进测量仪表，没有中间环节，不需任何附加设备，用数据采集系统可以进行大批量的数据测量，缺点在于测量热电偶冷端温度时存在一定的误差，对现有的大部分仪表来说误差较大，因此在工厂现场和一些测量准确度要求不高的场合，大都采用这种方法。