本文將簡要介紹熱電偶，特別是冷端和不同的冷端補(bǔ)償方法。

在處理過程儀表校準(zhǔn)的多年工作中，您可能會(huì)常常感到驚訝，即使是經(jīng)常使用熱電偶的人可能也并不是那么了解熱電偶是如何工作的。那么冷端（參考）究竟是如何工作的？為了能夠討論冷端，我們首先需要對熱電偶理論和熱電偶的工作原理做一個(gè)簡短的了解。

冷端或參考端

熱電偶“冷端”通常被稱為“參考端”，但在我們看來人們更經(jīng)常使用“冷端”。

熱電偶

熱電偶是化工廠中常見的溫度傳感器。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？

熱電偶由兩條由不同的電導(dǎo)體制成的導(dǎo)線組成，它們的一端連接在一起（“熱”端），這是用來測量溫度的一端。

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)電導(dǎo)線的材料。這種效應(yīng)被稱為塞貝克效應(yīng)。

熱電偶的簡化原理圖

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。“T1”是熱電偶的熱端，即用于測量溫度的點(diǎn)。兩個(gè)“TCJ”是冷端的溫度。因?yàn)闊犭娕冀z中的溫度梯度實(shí)際上產(chǎn)生了熱電壓，一直在“熱”和“冷”端之間。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。

熱電偶類型和材料

有許多類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型已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，并為所使用的指定材料提供了名稱。名稱通常非常短，通常只有一個(gè)字母,如 K、R、S、J、K 等類型。

最常見的熱電偶及其材料

熱電偶的熱電壓

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)

如果您想測量較低的溫度，顯然最好使用更敏感的類型，因?yàn)樗鼈兲峁└叩碾妷海菀诇y量。但如果您需要去高溫，可能要選擇一些不太敏感的類型，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于溫度的變化有多大。上圖說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)儀對于不同類型的熱電偶通常具有不同的精度規(guī)格。

冷端

我們展示了簡化的熱電偶原理的圖片，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)問的大問題應(yīng)該是——電線的另一端呢?

當(dāng)您測量熱電偶的電壓時(shí)，您可以把熱電偶的導(dǎo)線連接到萬用表上。萬用表連接材料通常是鍍銅或鍍金的，因此它與熱電偶材料不同，這意味著您在萬用表連接中創(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。“熱端”是它們焊接在一起的點(diǎn)，這是測量過程溫度的點(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。在這些連接中，產(chǎn)生了熱電壓U2和U3。正是這些U2和U3電壓我們不想測量，所以我們想去掉它們或者補(bǔ)償它們。

如上圖所示，實(shí)際上是在測量串聯(lián)的三（3）個(gè)熱電偶的電壓。顯然，您只想測量“熱”端的電壓/溫度，而不想測量其他兩個(gè)連接點(diǎn)。

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。

連接需要與冰浴中的水進(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。不管怎么說，在化工廠，這是不太實(shí)際的，所以它通常不用于化工廠。

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。可以使用一個(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，也知道熱電偶的類型，就可以計(jì)算和補(bǔ)償冷端的熱電壓。

許多測量設(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. 測量冷端溫度

可以用溫度傳感器測量冷端的溫度。然后，您可以補(bǔ)償冷端效應(yīng)，但是補(bǔ)償有點(diǎn)困難，因?yàn)槟枰恢睖y量冷端溫度，并且知道您的熱電偶類型，進(jìn)行計(jì)算以了解冷端效應(yīng)。

幸運(yùn)的是，許多溫度校驗(yàn)儀提供了使用溫度傳感器測量冷端溫度的功能，并且該設(shè)備自動(dòng)進(jìn)行所有補(bǔ)償和計(jì)算。

4.測量裝置中的自動(dòng)在線補(bǔ)償

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

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