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关于热电偶测温系统中的冷端补偿方式浅析

来源:www.fjgkzx.com作者:邵德立, 邹佳鑫, 吴昌昊发表时间:2021-02-21 15:39:35

 摘 要: 在热电偶测温系统中,冷端(参比端)补偿是影响最终测量精度的关键因素之一,其主要原理是对热电 偶的参比端温度进行独立测量,并将该温度作为参考,与仪表设备端测量值进行对比,利用公式法或查表插值法得到热电偶测量端的温度。 本文综合整理了目前常见的几种热电偶冷端补偿方法,一一进行了分析,说明其在实际应用中的优劣及适用性;并提出一种新的实用补偿方式。

引言

在工业应用中, 获知环境或设备工作温度常常是必 需的,这也使得温度成为测量最频繁的一种物理量。目前 常用的温度测量手段包括热电偶、热敏电阻、热电阻、集 成温度传感器芯片等。 热电偶是其中应用最为广泛的一种,其原理是将温度变化转换为电量变化,通过对电量变化检测,后根据热电偶分度表对应关系得到测量温度。 

1 热电偶测温特性

实际上,热电偶已成为在合理精度要求范围内,具有 高性价比的宽范围工业测温方法。 热电偶测温原理示意 如下[1]:图 1 中: EAB(T1)=EZ+EAB(T2) (1) 式中:EAB(T1)—测量端电势;EAB(T2)—冷端电势,在分度 表中固定为 0℃。 EZ—设备采集电势。

热电偶测温示意图

热电偶特性如下[2-5]:①测温范围广:目前的标准热电 偶有 8 种,根据所使用的金属材质,其测温范围从-200℃ 至+2500℃,适用于大多数应用;②坚固耐用:热电偶的抗振动冲击性能较好,可用于恶劣环境;③安全性:热电偶无需外部激励源,几乎不会自发热,使用比较安全。

如图 1 所示,在实际测量温度应用中,冷端温度很难 维持在热电偶分度表中标定的 0℃,而且会变化。 因此仅 根据分度表中的温度、 电压对应关系得到的测量端电势往往是不准确的。 且热电偶的温度-电压特性曲线本身还 具有一定的非线性。 因此,要精确得到测量端温度,必须解决冷端温度的不确定性带来的误差。

2 冷端温度补偿

根据式(1)可知,热电偶测温系统中,需要根据冷端 温度,得到测量端温度,这一过程称为冷端温度补偿[6-8]。 目前的冷端补偿方法,从测量设备的角度划分,可分 为外部补偿法和内部补偿法。

2.1 外部补偿

外部补偿是指在测量设备的外部获知热电偶冷端温 度,进行补偿。 采用的方式有如下几种:

2.1.1 外部温度变送器方式 

温度变送器,是一种配合热电偶使用,将热电偶的温度信号转换成 1-5VDC 或 4~20mA 电流的设备, 用户测量设备端根据接收到的电流或电压, 得出热电偶的测量 电压,而后根据测量电压对比分度表进行查表或公式法, 得到测量温度值。

温度变送器连接示意

实际应用中,温度变送器通常安装在测量设备外部,距离热电偶测温点相对较近的位置。 示意图见图 2。 其优点在于: ①灵活性强, 可适应不同类型的热电 偶;②转换输出的 1~5Vdc 或 4~20mA 电流信号,相比热电偶本身信号的抗干扰能力大大加强;③测量设备端,降 低信号调理复杂程度; ④温度变送器与测量设备端可用 普通导线,降低成本。

但缺点也比较明显①温度变送器需要外部供电,增 加电源设计复杂性;②在环境恶劣区域,如湿热、酸性、盐 雾环境中,温度变送器不适宜。 因此,使用温度变送器可用于一般中性环境及湿度在正常水平的环境中。

2.1.2 外部热电阻补偿方式

 在热电偶(或电极)补偿线与测量设备输入引线的连 接点处,安装热电阻(RTD),进行实时测温,并将热电阻信号传回测量设备。 实际应用的连接示意图,见图 3。

外部热电阻补偿方式

该方式特点如下:①成本较温度变送器方式低;②灵 活性强,可适应各类热电偶;③热电阻测温的精度较高, 使得冷端补偿精度提高。 相应的,该方式多了一路热电阻 输入信号,会增加测量设备采集通道;且在冷端连接点处 固定热电阻,需要根据使用环境考虑,并非一件简单的事情。 但综合来看,其比较容易实现。

2.1.3 冷端固定温度补偿法 

该方式,也称为冷端恒温法,将热电偶冷端引入到一个温度恒定的区域, 测量设备的输入端也用普通导线引 至该温度恒定的区域,并与冷端相连。 实际应用中连接示 意图如图 4 所示。

冷端恒温补偿方式

冷端恒温法,在实际应用中,决定其补偿效果的关键 因素有两点:①恒温区的设计,如何确保恒温以及积热处 理;②恒温区与测温点、测量设备的距离,距离太长(通 常≤30m),也会影响补偿精度。

2.2 内部补偿

内部补偿,是在测量设备的内部进行温度补偿,所以 需要将热电偶通过补偿导线连至设备内。 具体方法,可采 用集成温度传感器芯片方式、电桥法、热敏电阻等实现。实际应用连接示意如图 5 所示。 

内部补偿方式和集成温度传感器设计示意

图 5 中, 冷端温度补偿器可选用具有温度补偿功能的运算放大器, 如 ADI 公司的 AD8495、AD594 等芯片。AD8495 是专用于K型热电偶补偿的集成芯片,采用该芯 片,则信号链设计简单,无需软件进行额外处理,其连接 示意图如图 6 所示

内外补偿结合的方式

这类方式的优点:①降低热电偶采集信号链设计复杂 程度;②对干扰信号具有很高的抑制能力;③可从硬件上进行非线性校正,提高精度。 但是这种方式存在很明显的 缺点,集成温度传感器的运放,并不能适应多种热电偶,通 常只能适应 1 到 2 种,局限性较大;此外,在内部补偿的另 一个缺点是,补偿线需要引入到 PCB 板上连接,实际设计时需要考虑结构上的实现性,若测量设备为密封腔体,那么将补偿线直接接到设备内的采集板卡上,不易实现。

2.3 内外结合的补偿方式 

在工作环境比较复杂、恶劣的情况下,如文中所述的 湿热、腐蚀性环境,此时测量设备通常会要求密封、耐腐蚀等。 从电气和结构上考虑,采用单一的外部或内部补偿方式难以满足要求。 为解决该问题,本文提出一种将内部补偿与冷端恒温补 偿法结合并进行计算修正的方式,其连接示意图如图 7 所示。

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本文设计中,外部仍然采用补偿导线,连接至密封测量设备的表面连接器, 连接器针脚材质可选用与补偿导线一致的;在密封设备内部,即连接器内侧设置独立的腔 体,该腔体将连接器包裹在内,同时采用隔热材料与设备内发热部分(主要是板卡)隔开;独立腔体内,设计数字温 度传感器芯片,实时采集连接点温度,并传给设备的数据处理单元,进行计算修正;独立腔体与设备采集模块之间通过柔性带缆或排线等导热性能低的材料连接, 以确保 独立腔体内温度变化缓慢。 然而,本设计也存在一些不足,一是对热电偶的型号 适应性有限制,二是测量设备结构设计较为复杂。 

3 结论

在热电偶测温系统中, 冷端补偿是设计者最为关注的一点,其方法演变至今已有多种。 本文对当前各方法进 行了简要分析,指出其优缺点及适用性,可知,目前的补 偿方法并不能适用于所有的情况。 根据分析结果,针对具 有特殊要求的使用环境如湿热、腐蚀性等,本文提出了一 种补偿设计方法,并进行了简要设计说明。 目前该方法已应用到工程设计中,并取得了良好的效果。