热电偶参考端

热电偶回路与参考端定义

两种不同导体（热电极）A、B 两端相互连接构成闭合回路，两接点分别置于温度 T 和 T0 的环境中（设 T>T0）。置于被测温度场中的接点称为工作端或热端，温度为 T；另一端称为自由端或参考端（冷端），温度为 T0。热电偶是有源传感器，测量时不需要外加电源。

热电势与参考端温度的关系

在教材采用的简化模型中，回路总热电势主要由两个接点的接触电动势决定，单一导体的温差电动势所占比例极小，通常可忽略；该“接触电动势占主导”的结论仅是该电子密度接触分解模型下的特定简化，不是所有金属热电偶的普遍物理结论。接触电动势由两种导体自由电子密度不同引起，其大小与导体材料及接点温度有关，而与导体的直径、长度、几何形状无关。实际均匀热电极的回路输出与温度梯度中的材料塞贝克系数有关，可写为 $E_{AB}(T,T_0)={\int }_{T_0}^T[S_A(\vartheta )-S_B(\vartheta )]d\vartheta$，其中 $S_A$、$S_B$ 为材料塞贝克系数（V/K），积分变量为绝对温度（K），极性按回路方向约定；量值采用实验分度关系。

当材料一定时，总热电势可写成两接点温度的函数差：

式中 $E_{AB}(T,T_0)$ 为 A、B 两种材料组成的热电偶在接点温度为 T、T0 时的热电势，单位为 V（常用 mV）；$f(T)$、$f(T_0)$ 分别为工作端温度 T 和参考端温度 T0 对应的分热电势函数。

由该式可见：

• 若两热电极材料相同，无论两接点温度如何，总热电势恒为 0。
• 若两接点温度相同（T=T0），即使材料不同，总热电势也为 0。
• 热电势大小只与材料种类和两接点温度有关，与热电极尺寸、形状无关。

参考端固定的意义

当参考端温度 T0 恒定时，$f(T_0)$ 为常数，总热电势变为工作端温度 T 的单值函数：

因此，只要保持参考端温度恒定，就可以通过测量热电势唯一确定工作端温度。工程上通过实验标定得到热电势与工作端温度的对应关系（分度表），测量时由测得的热电势反查或计算工作端温度。若参考端温度波动，同一热电势可能对应不同的工作端温度，测量结果将失去单值性。

参考端的处理方式

当参考端处于温度波动较大的环境时，需先将其延伸至温度稳定处，再按恒定或已知温度处理。主要方法包括：

1. 补偿导线法：用补偿导线将参考端从原接线处延伸到温度稳定的新位置。补偿导线要求价格低廉，且在一定温度范围内与所连热电极具有相同或相近的热电性能，从而不改变回路热电势。其作用是减少昂贵热电极的延长用量，并把参考端移至恒温或温度波动小的区域。接线时需注意补偿导线与热电极的极性正确连接。

1. 参考端温度恒温法：将参考端置于恒定温度环境（如冰浴，即 0 ℃）中，使 T0 为已知恒定值，直接按分度表确定工作端温度。

1. 计算修正法：若参考端温度 T0 已知但不为 0 ℃，先测得 $E_{AB}(T,T_0)$，再利用中间温度定律换算到参考端为 0 ℃ 时的热电势：

式中 $E_{AB}(T_0,0)$ 为参考端由 T0 换算到 0 ℃ 的修正值，可由分度表查得。该方法适用于非连续测温或可离线修正的场合。

1. 冷端补偿电桥法（自动补偿法）：在热电偶与测量仪表之间接入一个直流不平衡电桥。电桥由三个温度系数较小的锰铜丝电阻 $R_1$、$R_2$、$R_3$ 和一个温度系数较大的铜丝电阻 $R_{Cu}$ 及稳压电源组成，电桥与热电偶参考端处于同一环境温度。设计时使电桥在 20 ℃（或 0 ℃）处于平衡状态，此时电桥 A、B 两端无电压输出，对仪表无影响。当环境温度变化时，参考端温度随之变化，热电势发生改变；同时 $R_{Cu}$ 阻值随温度变化，电桥平衡被破坏，A、B 两端输出不平衡电压 $U_{AB}$。适当选择桥臂电阻和桥路电流，可使 $U_{AB}$ 正好补偿因参考端温度变化引起的热电势变化量，即：

从而仪表读数不随参考端温度变化。该方法解决了冷端温度校正法手工逐次查表不便连续测量，自动采集冷端温度并计算则可连续补偿的问题。

适用范围与条件

上述参考端处理方法的共同前提是：热电偶材料已确定，且热电势与工作端温度的关系已通过标定获得。补偿导线仅在规定温度范围内与热电极热电性能相同或相近；补偿电桥需与参考端处于同一环境温度，且设计平衡点应与实际使用条件匹配。