在这篇博文中，我将简要介绍热电偶，特别是冷端和不同的冷端补偿方法。
在处理过程仪表校准的多年工作中，我常常感到惊讶，即使是经常使用热电偶的人也不总是了解热电偶是如何工作的，尤其是冷端（参考）是如何工作的，因此他们在测量和校准中会出错。
为了能够讨论冷端，我们首先需要对热电偶理论和热电偶的工作原理做一个简短的了解。
我不会深入研究理论科学，但会更多地考虑实际情况，即在典型的过程设备中进行热电偶测量和校准时，你应该知道的事情。
术语：冷端或参考端
热电偶“冷端”通常被称为“参考端”，但在我看来人们更经常使用“冷端”，所以在本文中我将使用“冷端”。
热电偶
热电偶是加工厂中常见的温度传感器。热电偶的一些优点使其得到广泛应用。它们可用于测量非常高的温度，远高于电阻式温度传感器（RTD）。热电偶也是一个非常坚固的传感器，所以它不容易断裂。尽管热电偶不如电阻式温度传感器准确，但在许多应用中它们的准确度足够达到要求。热电偶也是相对便宜的传感器，而且热电偶测量电路不需要像RTD电路那样的励磁电流，所以从这个意义上说，该电路更简单。有许多不同类型的热电偶针对不同的应用进行了优化。
一个热电偶传感器只有两条线，似乎很容易使用。很可能出错？
但是考虑到冷端和测量电路中的所有连接点，它并不总是看起来那么简单。
让我们开始进行冷端的讨论，但在这之前，我们要多说几句关于热电偶理论的话，以帮助更好地理解冷端讨论。
热电偶是如何工作的？
让我们看看热电偶是如何工作的。热电偶由两条由不同的电导体制成的导线组成，它们在一端连接在一起（“热”端），这是用来测量温度的一端。
正如1821年托马斯·约翰·塞贝克（Thomas Johann Seebeck）发现的那样，当这些电线的连接点被置于不同的温度下时，会产生热电流，从而在开口端的电线之间产生一个很小的电压。电压取决于温度和所用导电导线的材料。这种效应被称为塞贝克效应。
热电偶的简化原理图：
上图中：“热电偶材料1和2”代表热电偶所用的两种不同材料。“T1”是热电偶的热端，即用于测量温度的点。两个“TCJ”是冷端的温度。
上面的解释有点简单，因为热电偶丝中的温度梯度实际上产生了热电压，一直在“热”和“冷”端之间。所以，不是连接点产生了电压，而是沿着电线的温度梯度产生了电压。但热电压是在冷热端之间产生的这一解释更容易被理解。也许在以后的一些文章中可以提供更科学的热电偶理论，但在这篇文章中，让我们坚持从实际考虑。
热电偶类型和材料
有许多类型的热电偶由不同的材料和合金制造。不同的材料会导致不同的灵敏度,在相同的温度下产生不同的热电压,并会影响其他特性,如最高温度。
几种不同的热电偶类型已经标准化,并为所使用的指定材料提供了名称。名称通常非常短,通常只有一个字母,如 K、R、S、J、K 等类型。
下表列出了一些最常见的热电偶及其材料:
线颜色
好消息是,热电偶电线的颜色编码,更容易识别。
坏消息是,有许多不同的标准的颜色代码,他们彼此不同。
主要标准是 IEC60584-3(国际)和 ANSI(美国),但也有许多其他标准,如日本、法国、英国、荷兰、德国等标准。因此很不幸,通过颜色识别类型有点复杂。
热电偶的热电压
由于不同的热电偶是由不同的材料制成的，因此热电电压也不同，如下图所示。在同一温度下，不同类型之间产生的电压相差很大。
如果你想测量较低的温度，显然最好使用更敏感的类型，因为它们提供更高的电压，更容易测量。但如果你需要去高温，你需要选择一些不太敏感的类型，可以在极端高温下使用。
赛贝克系数表示热电偶的电压相对于温度的变化有多大。这点以后再谈。
上图说明了不同热电偶之间的不同灵敏度，也解释了为什么热电偶校验仪对于不同类型的热电偶通常具有不同的精度规格。测量装置或校验仪通常具有电压中规定的电压测量精度。例如，它的精度可以达到4微伏。由于热电偶灵敏度不同,此 4 微伏精度根据热电偶类型的不同,等于不同的温度精度。
测量装置（校验仪）示例
让我们来看看这两个极端：200°C温度下的E型和B型。E型在200°C时的灵敏度（赛贝克系数）约为74微伏/摄氏度，而B型在200°C时的灵敏度约为2微伏/摄氏度，两者相差37倍。
举个例子，如果您的测量设备能够以4μV的电精度进行测量，则意味着它在200°C时为E型提供约0.05°C（4μV除以74μV/°C）的精度，在200°C时为B型提供2°C（4μV除以2μV/°C）的精度。
因此，我们可以了解为什么对于不同类型的热电偶，热电偶测量装置/校验仪的精度规格往往非常不同。
校验仪精度
如果你看到一个温度校验仪的数据表，并且它对所有热电偶类型都有相同的精度规格，请小心！通常这意味着规范/数据表是在市场部而不是技术部完成的。
这非常不现实。
标准
还有一些标准(例如 AMS2750E)要求所有热电偶类型具有相同的精度,这在实践中没有多大意义,因为不同类型的热电偶灵敏度存在巨大差异。
我之前已提到了塞贝克西贝克系数。这是热电偶的灵敏度,它解释了每次温度变化产生的电压。
下图显示了某些不同热电偶的赛贝克系数:
冷端
现在,让我们开始深入研究”冷端”.
早些时候,我展示了简化的热电偶原理的图片,显示两个不同的导体连接在一起在”热”端连接中产生了热电压。一个你应该会问的大问题是:电线的另一端呢?
这问题太棒了，我很高兴你会问到！
当你测量热电偶的电压时，你可以把热电偶的导线连接到万用表上，很简单，对吗？不对！万用表连接材料通常是镀铜或镀金的，因此它与热电偶材料不同，这意味着您在万用表连接中创建了两个新的热电偶！
让我们用图片来说明这一点：
在上图中，材料1和材料2是形成热电偶的两个热电偶材料。“热端”是它们焊接在一起的点，这是测量过程温度的点，也是产生电压U1的点。这个U1是我们要测量的。在“冷端”点，热电偶与电压表相连，电压表的连接由不同的材料（材料3）制成。在这些连接中，产生了热电压U2和U3。正是这些U2和U3电压我们不想测量，所以我们想去掉它们或者补偿它们。
如上图所示，您实际上是在测量串联的三（3）个热电偶的电压。显然，您只想测量“热”端的电压/温度，而不想测量其他两个连接点。
那么，你能做什么？
您需要以某种方式消除或补偿冷端中产生的热电偶。有不同的方法可以做到这一点。接下来我们来看看这些。
冷端选择和补偿方法
1.冰点槽法
根据其性质，热电偶接头在0°C（32°F）温度下不会产生任何热电压。所以，你可以在那个温度下连接冷端，例如在冰点槽中或者精确的温度校准炉中。你可以在冰点槽中将热电偶导线连接到铜线上，而在连接过程中不会产生热电压。那么你就不必担心冷端了。
连接需要与冰浴中的水进行电气隔离，以避免任何泄漏电流导致错误或可能产生腐蚀。
这是一种非常精确的方法，校准实验室通常会这样做。不管怎么说，在加工厂，这是不太实际的，所以它通常不用于加工厂。
例子：
如图所示，连接N型热电偶。电压表显示20808微伏。测量的温度是多少？
E = EN(tU1) – EN(tr)
在这个公式里：
- E=测量电压=20808μV
- EN(tU1)=热端产生的电压
- EN(tr)=冷（参考）端产生的电压=0μV（IEC 60584 N型，0°C）
- EN(tU1) = E + EN(tr) = 20808 µV + 0 µV = 20808 µV = 605 °C（IEC 60584 N型，20808μV）
所以，温度是605摄氏度。
2.固定温度下的冷端
由于冰槽被发现是不切实际的，你也可以在已知的、固定的温度做冷端连接。你可以用一个小的接线盒，它有一个温度控制装置，使接线盒始终保持一定的温度。通常情况下，温度高于环境温度，所以箱子只需要加热，而不需要冷却。
当你知道冷端的温度，你也知道你的热电偶的类型，你可以计算和补偿冷端的热电压。
许多测量设备或温度校验仪都具有输入冷端温度的功能，设备将为您进行所有计算并进行补偿。
例子：
如图所示，连接N型热电偶。电压表显示19880微伏。冷（参考）端的温度为35°C。测量的温度是多少？
E=EN(tU1)–EN(tr)
在这个公式里：
- E=测量电压=19880微伏
- EN(tU1)=热端产生的电压
- EN(tr) =参考（或冷）端产生的电压=928μV（IEC 60584 N型，35°C）
- EN(tU1)=E+EN(tr) =19880μV+928μV=20808μV=605°C（IEC 60584 N型，20808μV）
所以，测量温度是605°C。
请注意，热电偶的计算必须始终以电压为单位。一个常见的错误是寻找测量电压的表值，并添加冷端温度。在这种情况下，根据IEC 60584标准测量的19880μV的对应温度为581.2°C。使用温度值计算得出581.2°C+35°C=616.2°C。误差为+11.2°C。
3. 测量冷端温度
如果你不像前面的例子那样调整冷端温度，你可以用温度传感器测量冷端的温度。然后，您可以补偿冷端效应，但是补偿有点困难，因为您需要一直测量冷端温度，并且知道您的热电偶类型，进行计算以了解冷端效应。
幸运的是，许多温度校验仪提供了使用温度传感器测量冷端温度的功能，并且该设备自动进行所有补偿和计算。
4.测量装置中的自动在线补偿
上一个例子很难实现是因为您需要随时计算补偿，但是您可以将其留给测量设备来自动计算。测量装置（变送器、DCS输入卡或温度校验仪）可随时测量冷端温度，并自动在线补偿冷端误差。由于测量装置也知道热电偶的类型（在菜单中选择），所以可以自动连续地进行补偿。
这必然是在正常测量和校准中补偿冷端的最简单和最实用的方法，因为您不需要担心冷端，而是让设备来处理。你只要把热电偶的导线插入设备。
Beamex温度校验仪也支持这种自动补偿。
相关Beamex产品
一系列Beamex温度校验仪支持上述所有冷端补偿方法。
例如，请参考BeamexMC6校验仪。MC6具有内部参考端的自动补偿。它还提供了一个多功能连接器，您可以连接不同的热电偶连接器，或裸热电偶电线。
