热电偶温度补偿原理详解

 

 

上面这个图，是热电偶简单(典型)的应用方式。

图中：T1 - 测量端温度

T2 - 接线盒温度

T3 - 控制室温度(物理上的冷端温度)

T0 - 冷端补偿电路的补偿温度点(理论上的冷端温度)

从这个图可以知道，测量所需的热电偶温差电势 E(T1,T0)，实际上是由三个电势叠加构成的：

E(T1,T2) - 热电偶测温元件产生的电势

E(T2,T3) - 补偿导线产生的电势

E(T3,T0) - 冷端补偿电路产生的电势

这样一理顺，就可以轻松理解关于冷端补偿的几个常见问题：

1、补偿导线补偿的是测温元件接线处温度与控制室温度之差;

2、补偿电路补偿的是控制室温度与需要固定的理论上的冷端温度之差;

3、热电偶及补偿导线用反了的后果。例如：

当热电偶与补偿导线连接处的温度高于控制室温度时， 补偿导线的补偿电势为正，应该是热电偶产生的热电势加上补偿导线产生的补偿电势，接反了相当于加上了一个负值会使指示偏低;

当热电偶与补偿导线连接处的温度低于控制室温度时， 补偿导线的补偿电势为负，应该是热电偶产生的热电势减去补偿导线产生的补偿电势，接反了相当于减去了一个负值会使指示偏高;

当热电偶与补偿导线连接处的温度等于控制室温度时，补偿导线的补偿电势为零，对测量不产生影响(也就是显示室温)。

热电偶温度变送器或卡件，都有温度补偿电路。其作用是根据热电偶中间温度定律-“热电偶回路两接点(温度为T、T0)间的热电势，等于热电偶在温度为T、Tn时的热电势与在温度为Tn、T0时的热电势的代数和。Tn称中间温度”。在热电偶冷端温度产生一个温度为Tn、T0时的热电势。来对热电偶冷端温度的不确定进行补偿。它实质上，就是能产生一个随参考端环境温度变化而变化的直流毫伏信号。把它串接在热电偶测量回路中测温时，就可以使参考端温度得到自动补偿。

采用热电偶冷端补偿电路的根本原因，在于冷端温度的不确定。虽然热电偶的分度标准是以零度为基准的;虽然通常以冷端为零度作为基准来解释温度补偿原理。但在实际上，如果冷端温度可以固定下来，则只需计算出T(T,To)和T(T,Tn)之间的差值，在指示过程中人为制造一个相反的误差，来抵消冷端温度不为零会带来误差。就可以得到正确的测量值。

所以冷端补偿电路在温度补偿中，不一定非要以零度作为基准。同时，热电偶的冷端补偿电路往往有一个适应范围，超出这个范围就无法满足补偿的要求。从适应环境，降低成本，简化线路，减小体积 等多方面因素出发，选择一个适合的，不为零的温度点作为冷端补偿电路的补偿基准，就成为一种常见的做法。这个冷端补偿电路的补偿基准，称为补偿电路的补偿温度。每台有冷端补偿功能的仪表或卡件，都有这个指标。(如果没有标出则默认为0℃，常见于带冷端补偿的温度指示仪和温度变送器)

补偿温度的意义在于：热电偶的温差电势E(T,Tn)与补偿电路的补偿电势E(TN,Tn)之和，等于热电偶工作端与补偿温度之间的电势E(T,TN)。

当补偿电路的补偿温度点TN≠0℃时，会产生一个补偿温度点TN=冷端基准温度T0=0℃时极少遇到的问题。即环境Tn(热电偶冷端)温度低于补偿温度点TN。

对于测量需要的热电势，有：

E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

式中：E(T,T0)　　以0℃为基准的测量热电势

E(T,Tn)　　热电偶工作端与室温(冷端)之间的温差电势E(TN,Tn) 　补偿电路针对补偿温度和室温(冷端)之间的温差产生的补偿电势

E(TN,T0) 　补偿温度和基准温度(0℃)之间的温差电势(实际应用中有时不必以电势的形式出现。例如，可以将后续电路或指示仪表的零点设置为TN。)

当 TN=T0 时，E(TN,T0)=0;E(TN,Tn)=E(Tn,T0)

这时 E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

=E(T,Tn)+E(Tn,T0)

当 TN≠T0，TN≤Tn 时，E(Tn,TN)+E(TN,T0)=E(Tn,T0)

这时 E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

=E(T,Tn)+E(Tn,T0)

当 TN≠T0，TN>Tn 时，E(TN,Tn) 是一个负值

这时 E(T,T0)=E(T,Tn)+E(TN,Tn)+E(TN,T0)

=E(T,Tn)+[-E(TN,Tn)]+E(TN,T0)

=E(T,Tn)-E(TN,Tn)+E(TN,T0)

∵ E(TN,T0)-E(TN,Tn)=E(Tn,T0)

∴ E(T,T0)=E(T,Tn)+E(Tn,T0)

可见，无论补偿温度是否设置为0，对于整个热电偶测量系统来说，结果是一样的。

但是，补偿温度是否设置为0℃，对于热电偶测量系统不同部分的应用，会有所区别。下面是一些个人体会。大家可以讨论补充。

冷端补偿可以分为动态补偿 E(TN,Tn) 和 定值补偿 E(TN,T0) 两个部分。(这个名称是我起的，仅为描述方便)显然，如果动态补偿和定值补偿在同一设备中，或者虽然不在同一设备中但可以将两项功能看做一体时，其外在表现就是补偿温度为0℃。除了分析电路外，在实际应用中，无论其工作过程是怎样的，都应看做补偿温度为0℃。　动态补偿和定值补偿可以在不同设备或单元中实现。

对于补偿单元来说，会将热电偶的电势信号从E(T,Tn)裁接成E(T,TN)。当补偿单元的输入为0时，输出为TN。这和补偿温度没有关系。但对于习惯了补偿温度为0℃的人来说，容易造成困惑。

对于补偿单元之后的部分(如显示仪)来说，需要产生一个相当于E(TN,T0)的信号。换句话说，就是当显示仪输入为0时(不带补偿器)，显示仪应当指示TN。对于习惯了TN=T0=0℃的人来说，容易产生疏忽。

将补偿的温度范围的中点设置在冷端所处环境温度变化中点，是一种提高器件性价比的方式。所以采用补偿温度不为0℃的补偿单元，在设计时都会有自身的考虑。

例如把补偿温度设为常见的室内平均环境温度20℃;再如在密集安装的热电偶输入卡件会采用30℃的补偿温度;一些现场安装的补偿单元甚至会定为50℃。

需要注意的是，在一些补偿温度明显高于通常会产生的环境温度的情况下，如密集安装的热电偶输入卡件将补偿温度定为30℃。有很大可能热电偶冷端所处的实际位置(卡件内部)的温度会高于环境温度。如果拿控制室墙上的温度计当作冷端温度往往会产生偏差。(个人经验：这时候直接拿补偿温度作为冷端温度，偏差不会太大。)

审核编辑：汤梓红