热电偶冷端温度补偿原因分析及相关方法

　　3·1　补偿原因

　　热电偶测温电势可用如下关系式表示:

　　EAB(T,0) =EAB(T,T0)+EAB(T0,0)

　　热电偶输出热电势EAB(T,T0)反映的是相对于冷端温度的热端温度,而我们测量温度的目的是要知道以0℃为基准的热端温度T,即要通过EAB(T,0)或EAB(T,T0)和T0来求出T,这样,就必须知道EAB(T0, 0)或冷端温度T0,这种通过获取EAB(T0, 0)或T0进而得到热端温度T的过程即为热电偶的冷端温度补偿。由此可知热电偶冷端温度补偿之原因所在及其重要性。

　　3·2　补偿方法

　　热电偶有B、S、K、T、E等多种分度号,在实际应用中,首先必须选用与热电偶相配套的补偿导线将热电偶冷端延伸到控制室,然后再与变送、显示、记录、调节仪表或数据采集卡等设备相连,系统原理框图如图1所示。

　　冷端温度补偿具体方法如下:

　　(1)冰点法

　　冰点法是将补偿导线末端放入冰水混合物或零度恒温器中,这样,热电偶冷端的温度就是0℃,可直接测出热端温度。该方法原理简单,测量误差小,一般情况下误差可忽略不计,但冰水混合物制作、维护麻烦,而零度恒温器容量又小,所以,这种方法多用于实验室。

　　(2)恒温迁移补偿法

　　这种方法是根据补偿导线末端所处环境温度估计值的大小,人为将显示或记录仪表的零点调到该值。目前,大多数工厂控制室都装有空调,室内温度相对恒定,因此,恒温迁移补偿法引入的误差是很小的,尤其是对于高温测量,其相对误差更小。比如,控制室温度偏差为±2℃,测量1000℃的温度时,其相对误差仅为0·2%。该方法在工业测量中被广泛采用,尤其是无自动冷端补偿功能的动圈温度表、有纸记录仪等。

　　(3)热电势修正法

　　该方法是基于中间温度定律。通过估计或实测冷端温度T0,从分度表中查得EAB(T0, 0),将此值与测量值EAB(T,T0)相加,即得EAB(T, 0),再反查分度表即可求出热端温度T。

　　此法测量精确但工作繁琐,冷端温度变化频率较高时,测量效率难以保证实时性要求,故少用于工业现场,可应用于实验室测温或对带冷端补偿的二次表进行校验等。

(4)电桥补偿法

　　电桥补偿法是现场最常用的冷端补偿法之一,它是利用不平衡电桥产生的电压来补偿热电偶冷端温度T0的变化对输出电势的影响,其原理如图2所示,在补偿导线末端放置一个电阻温度传感器Rt,通过选择合适的补偿电桥参数,使电桥输出电压的大小正好补偿因冷端温度T0而引起的热电势EAB(T0,0),这样就得到EAB(T, 0),从而消除了冷端温度对测量结果的影响,实现了冷端补偿。

　　这种方法结构简单、使用方便、硬件投资少,但因热电偶是非线性的,而补偿电桥则是线性的,因而难以实现完全补偿,常出现欠补偿或过补偿现象,另外,还存在与分度号匹配问题,补偿电桥与热电偶的分度号必须是一一对应的,通用性差。

　　(5)二极管补偿法

　　由PN结理论可知,在室温附近,当流经PN结的电流恒定时, PN结温度每升高1℃,其正向电压将减小2~2·5mV (具体数值由PN结参数确定),据此特性,可设计相应热电偶冷端温度补偿电路。图3即为一例。

　　这种方法结构简单、使用方便,补偿精度可达0·01℃,补偿范围为-25℃~80℃。

　　(6)集成温度传感器补偿法[5]

　　这种方法是利用高性能半导体温度传感器实现测温和补偿的,其原理是由集成温度传感器测得冷端温度,再与热电偶所测温差叠加而得到热端温度。该补偿法方法简单、精度高、线性好。

　　目前,可用器件有电流输出型器件AD590和电压输出型器件LM135、LM235、LM335等,其中AD590应用广泛,其输出电流与绝对温度成正比,如将AD590的输出电流通过1k电阻,即可获得1mV/K的输出电压,信号处理方便。

　　(7)软件补偿法

　　在智能温度测控系统中,常用软件方法实现冷端温度补偿,如图4所示,热电偶和冷端温度传感器的输出信号分别被调理成0~5V的电压,并经多路模拟开关和A/D转换后,再由单片机内程序进行冷端补偿处理,这样可将温度的检测精度大大提高,而且,对于不同分度号的热电偶,只要改变机内数据转换表即可,系统的适应性大大增强,使用方便。

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