热电偶冷端温度补偿方法研究

胡春红，赫 君，李 雷

（1. 中国人民解放军空军航空大学控制工程系，吉林 长春 130022；2. 中国人民解放军信息工程大学理学院，河南 郑州 450002；3. 中国人民解放军空军航空大学航空机械工程系，吉林 长春 130022）

1 引言

热电偶作为一种温度传感器，具备许多优良的特性。热电偶是由两种不同的金属或半导体材料组成的测量元件，它感受的是偶丝两端——热端T（亦称工作端）和冷端T0（亦称参考端）的温度差，从而产生热电势。因此，必须知道热电偶冷端的温度，才能测量热电势，最终测量出热电偶热端的温度。在实际应用中，测量热端温度的结果都是在冷端温度T0不变，也就是在0 ℃的条件下得到的。由于冷端温度常随室温变化，所以在测量实际中，热电偶的冷端大都采用冷端温度补偿法来解决。

热电偶冷端温度的补偿方法较多。在工业仪表和生产现场中，不同的补偿方法有其各自的特性与应用。

2 补偿方法

2.1 补偿导线法

补偿导线法，就是用一对与所使用的热电偶具有相同热电特性的廉价金属，作为连接导线来连接热电偶冷端和指示器的。

如果用虚线表示的A'、B'就表示热电偶金属A、B的补偿导线。设热电偶热端的温度为T，冷端实际温度为Tn，补偿导线的冷端温度为T0，则回路总接触电势可以表示为：

由于金属A和A'，B和B'具有相同的热电特性，可以看做是同一种金属，它们接触面上不产生接触电势，第二项、第四项为0。

总温差电势可表示为：

由于金属A和A'，B和B'具有相同的热电特性，则：

总热电势等于总接触电势和总温差电势的代数和：

可以看出，热电偶产生的热电势与回路中间温度无关。所以回路总的热电势等于热电偶热端温度为T，冷端温度为T0时的热电势。

这样，利用补偿导线，无论热电偶的实际冷端温度如何变化，消除了指示误差，完成了冷端温度补偿。

2.2 冰浴法

冰浴法是利用冰水混合物能较长时间地保持在0 ℃不变的特性，将热电偶冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，来保证冷端温度为0 ℃的。但是由于长时间工作，冰也难免会融化，所以这种方法在实验室使用较多。

2.3 补偿电桥法

补偿电桥法，是指在测量回路里面，在冷端串联一个补偿电桥。热电偶的热端感受被测温度，它的冷端与补偿电桥相连接。整个补偿电桥由全波整流电桥、滤波电路、稳压二极管和由三个电阻和热敏电阻Rt共同组成的电桥四部分所组成。全波整流的工作电压是交流电，全波整流电路将交流电变成一个脉动的直流电压，再经过由电容和电阻组成的滤波电路滤去其中的纹波，从而得到一个相对平滑的直流电压，最后由稳压二极管稳压，从而产生稳定的电桥的工作电压。

热敏电阻感受被测温度。当冷端温度为0 ℃时，电桥处于平衡状态，电桥无输出，没有对热电偶进行冷端温度的补偿。

当热电偶的冷端温度高于0 ℃时，热电偶的热电势由于冷端温度的升高而减小，这时热敏电阻的阻值增加，使得电桥不再平衡，产生一不平衡电压 Uab，与热电偶的热电势一起送入仪表中。只要我们选取合适的Rt，就可以恰好补偿。同样，当冷端温度低于0 ℃时，补偿电桥可以完成冷端温度补偿，从而仪表指示正确的温度。

补偿电桥法是利用不平衡引起的热电势的变化值。适当选择桥臂电阻可使不平衡电压Uab正好补偿冷端温度变化引起的热电势的变化值。只要保证总电压不受温度影响，也就完成了冷端温度的补偿。这种方法，线路简单、成本较低、适用于环境温度在－25～80 ℃的范围内。

2.4 其他补偿方法

除了上述方法，还有二极管补偿法、集成温度传感器补偿法、恒温迁移补偿法、计算修正法、软件补偿法、最小二拟合法等等。二极管补偿法是利用二极管两端电压随温度变化特性对热电偶进行温度补偿。集成温度传感器补偿法是由温度传感器测得冷端温度，与热电偶所测温差叠加，再得到热端温度。恒温迁移补偿法是人为显示或记录仪表零点调到环境温度。计算修正法是利用中间温度定律，结合查表计算得到。软件补偿法是热电偶的冷端温度传感器的输出信号经电路模拟开关和A/D转换后，再由单片机内程序进行冷端补偿。最小二乘拟合法是利用最小二乘法原理，找出拟合方程，求出测点温度。

3 结束语

热电偶在使用中产生的误差主要由冷端温度变化引起。只有当热电偶冷端温度保持不变时，热电偶输出的热电势才是被测温度的单值函数。而在实际应用中，由于环境温度变化的影响，冷端温度难以保持恒定，故需进行冷端温度补偿。

各种补偿方法有其自身侧重点，在实际工作中，要根据工作实际需要，结合具体环境，选用合适补偿方法，以达到良好的效果，对于热电偶测温具有重要的现实意义。

1 郑晓文.关于热电偶冷端补偿问题的探讨［J］.宇航计测技术，2002（6）：53～54

2 张亚刚.航空仪表设备［M］.长春：空军装备部，2007：16～26

3 王淑英.几种热电偶冷端补偿方法比较研究［J］.科技视野，2009（3）：75～76