热电偶冷端温度补偿

冷端温度补偿的必要性

热电偶的热电动势 $E_{AB}(t,t_0)$ 由工作端温度 $t$ 和冷端温度 $t_0$ 共同决定。只有当冷端温度 $t_0$ 恒定时，热电动势才与工作端温度 $t$ 成单值函数关系。实际测量中，冷端靠近工作端且暴露于大气，温度易受被测对象和环境波动影响，导致测量误差。因此必须对冷端温度进行补偿或处理。

补偿导线法

补偿导线是一对与热电极化学成分不同、但在 $0\sim 150{}^{\circ }\mathrm{C}$ 范围内与配接热电偶具有相同热电特性的导线，价格相对便宜。将补偿导线与热电偶冷端连接，把冷端延伸到温度恒定或波动较小的场所（如仪表室）。根据中间温度定律，只要热电偶与补偿导线的两个连接点温度相同，就不会影响热电动势输出。补偿导线主要用于贵金属热电偶，非贵金属热电偶通常直接用热电极材料本身延长。

冷端恒温法

将热电偶冷端置于温度不变的装置中，如电热恒温器或冰点槽。冰点槽内装冰水混合物，温度保持在 $0{}^{\circ }\mathrm{C}$。为避免冰水导电引起两连接点短路，须将连接点分别置于玻璃试管中再浸入冰点槽，使之相互绝缘。该方法仅限于科学实验中使用。

冷端温度校正法

若冷端温度偏离 $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ 但稳定在 $t_0$，则根据中间温度定律对仪表指示值进行修正：
$E(t,0)=E(t,t_0)+E(t_0,0)$
式中 $t$ 为工作端温度，$t_0$ 为冷端实际温度，$E(t,t_0)$ 为仪表测出的热电动势，$E(t,0)$ 和 $E(t_0,0)$ 分别为冷端 $0{}^{\circ }\mathrm{C}$、工作端 $t$ 和 $t_0$ 时的热电动势，可由热电偶分度表查得。该方法精确但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。若显示仪表具有零位调整功能，且其刻度已按配接热电偶分度表标定、或采用窄区线性近似，也可将指针从刻度初始值调至已知冷端温度值，使示值近似为实际温度；该做法仅在仪表刻度与热电偶匹配或温差较小时成立，不能普遍等价于按中间温度定律加 $E(t_0,0)$ 后反查分度表。

自动补偿法（补偿电桥法）

补偿电桥是一个直流不平衡电桥，由三个温度系数较小的锰铜丝电阻 $R_1,R_2,R_3$ 和温度系数较大的铜丝电阻 $R_{\mathrm{C}\mathrm{u}}$ 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 $20{}^{\circ }\mathrm{C}$（或 $0{}^{\circ }\mathrm{C}$）平衡，此时 $A$、$B$ 两端无电压输出。当环境温度变化时，冷端温度随之变化，热电动势改变；同时 $R_{\mathrm{C}\mathrm{u}}$ 阻值随温度变化，电桥失衡，$A$、$B$ 两端输出不平衡电压 $U_{AB}$。适当选择桥臂电阻和桥路电流，使 $U_{AB}$ 正好补偿参考端温度变化引起的热电动势变化量，实现自动补偿。补偿目标为 $U_{AB}$ 与热电动势变化量大小相等、方向相反。

补偿导线、恒温、计算校正与电桥的分工

补偿导线用于将冷端从温度波动处延伸至温度稳定处，不直接补偿温度值；恒温法将冷端固定于已知温度（如 $0{}^{\circ }\mathrm{C}$），提供基准；计算校正法在冷端温度稳定但非 $0{}^{\circ }\mathrm{C}$ 时，通过中间温度定律修正读数，适合非连续测量；补偿电桥法自动产生补偿电压，适合连续测量，提供模拟电桥实时补偿的实现方式。