将两种不同材料的金属焊接在一起, 就组成热电偶, 如果测量端与参考端有温度差, 就会在回路中产生热电势。此热电势与温差呈单值函数关系, 测量热电偶产生的热电势, 通过查“热电势-温度差的分度表”换算出测量端的温度。热电偶的测量端与参考端的温差引起了热电偶热电势的存在, 如果将参考端放置在0℃的冰槽中, 所测量的热电势值, 通过查表, 可以直接得到测量端的温度值。所以实际测量中, 如果参考端没有处在0℃冰槽中, 参考端的热电势的值也不为0, 此时就要进行温度补偿。

在热电偶测量线路中, 需要接入连接导线和显示仪表, 这些热电极的材料与导线的材料一般是不同的, 于是我们就要知道, 当其它金属材料接入热电偶的电路后, 对测量温度有没有影响?中间金属定律指出, 在一定的条件下电路中可以接入连接导线和显示仪表。在热电偶测量的回路中, 只要中间导体两端温度相同, 两端接入中间其它金属材料导体后, 不影响热电偶测量回路的总热电势。用中间导体C接入热电偶回路可以有如图1所示的接法。

热电偶回路的热电势等于各接点热电势的代数和, 即

如果图1中所示的回路各接点温度均匀T0, 那么回路的热电势应等于零。即

可得

将 (2) 代入 (1) 得

可见当中间金属两端温度相同时, 它将不影响总热电势。

此定律的应用:

1) 在热电偶回路中接入测量仪表和连接导线时, 如果连接处两端接点的温度相同, 则热电偶的回路热电势不受不影响, 有了这一中间金属定律的理论依据, 就可以将热电偶回路的产生的热电热测量出来。

2) 热电偶测量端的温度, 不管采用电极焊、电氟焊等多种方法制作测量端的焊点, 只要焊点上温度相等, 产生的热电势也会一致。因此焊点的大小和制成方法不影响热电偶回路总的电动势的大小。依据这一定律, 热电偶的测量端就可以连接, 使电路组成为一个完整的回路, 进行温度测量。

热电偶的补偿导线由合金丝、绝缘层、护套和屏蔽层等组成。补偿导线可以改善热电偶整个测温线路物理性能和机械性能, 使用多股线芯或小直径合金丝, 在常温或一定温度温度范围内, 补偿导线的热电动势的标称值同所匹配热电偶的热电动势的标称值相同。即补偿导线在电路中充当作热电偶的角色。

运用补偿导线的好处主要体现在以下三方面:

1) 从经济学效益考虑, 可以降低使用成本。补偿导线主要材料是合金丝, 与热电偶相比价格要便宜得多。当检定装置与被测电偶的距离相差较远时, 如果全程使用热电偶成本太高, 就可以考虑使用补偿导线降低成本, 比如在测量贵金属热电偶时就可以大大的降低成本。

2) 实现测量, 实验室里测量热电偶时要使用到补偿导线。对于铠装热电偶和一些短型的热电偶, 在测量时测量端不能直接插入冰瓶里, 此时就要用到补偿导线, 热电通过补偿导线接入冰瓶, 再通过铜线接入显示仪表。

3) 提高热电偶测量线路的物理性能和机械性能, 热电偶补偿导线使用的合金丝的绕性好, 使电路的接线更方便;绝缘层、护套和屏蔽层可以调节线路抗阻或屏蔽静电和外磁场的干扰信号。

补偿导线分两种:补偿型补偿导线和延长型补偿导线:

1) 补偿型补偿导线, 该合金丝的名义化学成分与相对应的热电偶不同, 但它的热电动势的值在一定的范围内与所对应的热电偶的热电动势标称值相同的, 用字母“C“表示, 跟在分度号之后;不一样的合金丝的组合可以组成相同的分度号的热电偶, 添加上相应的字母以示区别;如:“KCA”, “KCB”。

2) 延长型补偿导线;该合金的名义化学成分与相对应的热电偶相同, 相同温度补偿导线产生的热电势的标称值与对应热电偶的热电势相等。用字母“X”表示, 如KX。

1) 接入冰槽

式 (1) 反映的是相对于冷端温度的热端温度。如果将冷端放在0℃的冰槽中, 显示仪表上显示的热电势的值就是热端温度对应的热电势的值, 通过查表就可以换算出热端对应的温度值。

如图2所示, A, B端为热电偶的热端和冷端, BC为补偿导线, CD是连接显示仪表的铜线。此处使用冰槽是为给热电偶的冷端提供一个0℃的环境, BC补偿导线是电偶的延长。

2) 室温补偿

如果热电偶冷端无法接入冰槽, 显示仪表上测出的热电势是T与T0之间的温差所产生的热电势值。因此实际测量中如果参考端处于室温时, 需要进行室温补偿。将室温T0时对应热电势值与仪表的值相加后, 查表对应换算出相应的热端温度值。

1) 在校准具有热电偶参考端温度自动补偿的测温仪表时, 其接线如图3所示。

标准电压源产生标称热电势的值, 通过铜线接至冰槽, 在冰槽中与补偿导线连接, 给数字温度指示调节仪提供一个标称电压, 从而校准被测仪表的显示误差。值得注意的是:与源相接的是铜线, 与被检表相连接的补偿导线。此处的补偿导线所产生的热电势与自动补偿的热敏电阻所产生的热电势的值大小相等, 方向相反, 相互抵消后, 相当于在电路中直接接入了铜线。抵消后就相当于图4的接法。

2) 不具有热电偶参考端温度自动补偿的仪表, 校准时所用的标准器和接线如图4所示。

此时可以不使用冰槽进行冷端补偿, 与被校表相接的是铜线, 此处被检表相当于图2中的显示仪表, 直接接上铜线就可以了。

热电偶广泛应用于各种测温场所, 精度较高, 稳定性好, 测温区宽, 使用寿命长, 灵敏度高。在使用和校准时要正确连接测温仪表。精密测温时优先选择冰槽补偿;一般测温时则可以选用室温补偿。在校准具有热电偶参考端自动补偿功能的测温仪表时, 要使用相应分度号的补偿导线连接被测仪表, 将冷端温度补偿到0℃。校准不具有热电偶参考端自动补偿功能的测温仪表, 可以直接使用铜线连接, 无需补偿。