關(guān)于熱電偶測溫系統中的冷端補償方式淺析

摘要:在熱電偶測溫系統中,冷端(參比端)補償是影響最終測量精度的關(guān)鍵因素之一,其主要原理是對熱電偶的參比端溫度進(jìn)行獨立測量,并將該溫度作為參考,與儀表設備端測量值進(jìn)行對比,利用公式法或查表插值法得到熱電偶測量端的溫度。本文綜合整理了目前常見(jiàn)的幾種熱電偶冷端補償方法,一一進(jìn)行了分析,說(shuō)明其在實(shí)際應用中的優(yōu)劣及適用性;并提出一種新的實(shí)用補償方式。
0引言
　　在工業(yè)應用中，獲知環(huán)境或設備工作溫度常常是必需的,這也使得溫度成為測量最頻繁的一種物理量。目前常用的溫度測量手段包括熱電偶、熱敏電阻、熱電阻、集成溫度傳感器芯片等。熱電偶是其中應用最為廣泛的一種,其原理是將溫度變化轉換為電量變化,通過(guò)對電量變化檢測,后根據熱電偶分度表對應關(guān)系得到測量溫度。
圖1中：

　　式中:E_AB(T1)一測量端電勢;E_AB(T2)-冷端電勢,在分度表中固定為0℃。Ez-設備采集電勢。

　　熱電偶特性如下：①測溫范圍廣：目前的標準熱電偶有8種，根據所使用的金屬材質(zhì)，其測溫范圍從-200℃至+2500℃，適用于大多數應用；②堅固耐用：熱電偶的抗振動(dòng)沖擊性能較好，可用于惡劣環(huán)境；③安全性：熱電偶無(wú)需外部激勵源，幾乎不會(huì )自發(fā)熱，使用比較安全。
　　如圖1所示，在實(shí)際測量溫度應用中，冷端溫度很難維持在熱電偶分度表中標定的0℃，而且會(huì )變化。因此僅根據分度表中的溫度、電壓對應關(guān)系得到的測量端電勢往往是不正確的。且熱電偶的溫度-電壓特性曲線(xiàn)本身還具有一定的非線(xiàn)性。因此，要得到測量端溫度，必須解決冷端溫度的不確定性帶來(lái)的誤差。
2冷端溫度補償
　　根據式（1）可知，熱電偶測溫系統中，需要根據冷端溫度，得到測量端溫度，這一過(guò)程稱(chēng)為冷端溫度補償[6-8]。
　　目前的冷端補償方法，從測量設備的角度劃分，可分為外部補償法和內部補償法。
2.1外部補償
　　外部補償是指在測量設備的外部獲知熱電偶冷端溫度，進(jìn)行補償。采用的方式有如下幾種：
2.1.1外部溫度變送器方式
　　溫度變送器，是一種配合熱電偶使用，將熱電偶的溫度信號轉換成1-5VDC或4~20mA電流的設備，用戶(hù)測量設備端根據接收到的電流或電壓，得出熱電偶的測量電壓，而后根據測量電壓對比分度表進(jìn)行查表或公式法，得到測量溫度值。

　　實(shí)際應用中，溫度變送器通常安裝在測量設備外部，距離熱電偶測溫點(diǎn)相對較近的位置。示意圖見(jiàn)圖2。
　　其優(yōu)點(diǎn)在于：①靈活性強，可適應不同類(lèi)型的熱電偶；②轉換輸出的1～5Vdc或4～20mA電流信號，相比熱電偶本身信號的抗干擾能力大大加強；③測量設備端，降低信號調理復雜程度；④溫度變送器與測量設備端可用普通導線(xiàn)，降低成本。
　　但缺點(diǎn)也比較明顯①溫度變送器需要外部供電，增加電源設計復雜性；②在環(huán)境惡劣區域，如濕熱、酸性、鹽霧環(huán)境中，溫度變送器不適宜。因此，使用溫度變送器可用于一般中性環(huán)境及濕度在正常水平的環(huán)境中。
2.1.2外部熱電阻補償方式
　　在熱電偶（或電極）補償線(xiàn)與測量設備輸入引線(xiàn)的連接點(diǎn)處，安裝熱電阻（RTD），進(jìn)行實(shí)時(shí)測溫，并將熱電阻信號傳回測量設備。實(shí)際應用的連接示意圖，見(jiàn)圖3。

　　該方式特點(diǎn)如下：①成本較溫度變送器方式低；②靈活性強，可適應各類(lèi)熱電偶；③熱電阻測溫的精度較高，使得冷端補償精度提高。相應的，該方式多了一路熱電阻輸入信號，會(huì )增加測量設備采集通道；且在冷端連接點(diǎn)處固定熱電阻，需要根據使用環(huán)境考慮，并非一件簡(jiǎn)單的事情。但綜合來(lái)看，其比較容易實(shí)現。
2.1.3冷端固定溫度補償法
　　該方式，也稱(chēng)為冷端恒溫法，將熱電偶冷端引入到一個(gè)溫度恒定的區域，測量設備的輸入端也用普通導線(xiàn)引至該溫度恒定的區域，并與冷端相連。實(shí)際應用中連接示意圖如圖4所示。

　　冷端恒溫法，在實(shí)際應用中，決定其補償效果的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)：①恒溫區的設計，如何確保恒溫以及積熱處理；②恒溫區與測溫點(diǎn)、測量設備的距離，距離太長(cháng)（通常≤30m），也會(huì )影響補償精度。
2.2內部補償
　　內部補償，是在測量設備的內部進(jìn)行溫度補償，所以需要將熱電偶通過(guò)補償導線(xiàn)連至設備內。具體方法，可采用集成溫度傳感器芯片方式、電橋法、熱敏電阻等實(shí)現。實(shí)際應用連接示意如圖5所示。
圖5中，冷端溫度補償器可選用具有溫度補償功能的運算放大器，如ADI公司的AD8495、AD594等芯片。AD8495是專(zhuān)用于K型熱電偶補償的集成芯片，采用該芯片，則信號鏈設計簡(jiǎn)單，無(wú)需軟件進(jìn)行額外處理，其連接示意圖如圖6所示。

　　這類(lèi)方式的優(yōu)點(diǎn)：①降低熱電偶采集信號鏈設計復雜程度；②對干擾信號具有很高的抑制能力；③可從硬件上進(jìn)行非線(xiàn)性校正，提高精度。但是這種方式存在很明顯的缺點(diǎn)，集成溫度傳感器的運放，并不能適應多種熱電偶，通常只能適應1到2種，局限性較大；此外，在內部補償的另一個(gè)缺點(diǎn)是，補償線(xiàn)需要引入到PCB板上連接，實(shí)際設計時(shí)需要考慮結構上的實(shí)現性，若測量設備為密封腔體，那么將補償線(xiàn)直接接到設備內的采集板卡上，不易實(shí)現。
2.3內外結合的補償方式
　　在工作環(huán)境比較復雜、惡劣的情況下，如文中所述的濕熱、腐蝕性環(huán)境，此時(shí)測量設備通常會(huì )要求密封、耐腐蝕等。從電氣和結構上考慮，采用單一的外部或內部補償方式難以滿(mǎn)足要求。
為解決該問(wèn)題，本文提出一種將內部補償與冷端恒溫補償法結合并進(jìn)行計算修正的方式，其連接示意圖如圖7所示。

　　本文設計中，外部仍然采用補償導線(xiàn)，連接至密封測量設備的表面連接器，連接器針腳材質(zhì)可選用與補償導線(xiàn)一致的；在密封設備內部，即連接器內側設置獨立的腔體，該腔體將連接器包裹在內，同時(shí)采用隔熱材料與設備內發(fā)熱部分（主要是板卡）隔開(kāi)；獨立腔體內，設計數字溫度傳感器芯片，實(shí)時(shí)采集連接點(diǎn)溫度，并傳給設備的數據處理單元，進(jìn)行計算修正；獨立腔體與設備采集模塊之間通過(guò)柔性帶纜或排線(xiàn)等導熱性能低的材料連接，以確保獨立腔體內溫度變化緩慢。
　　然而，本設計也存在一些不足，一是對熱電偶的型號適應性有限制，二是測量設備結構設計較為復雜。
3結論
　　在熱電偶測溫系統中，冷端補償是設計者最為關(guān)注的一點(diǎn)，其方法演變至今已有多種。本文對當前各方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，指出其優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，可知，目前的補償方法并不能適用于所有的情況。根據分析結果，針對具有特殊要求的使用環(huán)境如濕熱、腐蝕性等，本文提出了一種補償設計方法，并進(jìn)行了簡(jiǎn)要設計說(shuō)明。目前該方法已應用到工程設計中，并取得了良好的效果。