關(guān)于熱電偶測溫系統(tǒng)中的冷端補償方式淺析

摘要:在熱電偶測溫系統(tǒng)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行獨立測量,并將該溫度作為參考,與儀表設(shè)備端測量值進行對比,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的幾種熱電偶冷端補償方法,一一進行了分析,說明其在實際應(yīng)用中的優(yōu)劣及適用性;并提出一種新的實用補償方式。
0引言
　　在工業(yè)應(yīng)用中，獲知環(huán)境或設(shè)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(yīng)用最為廣泛的一種,其原理是將溫度變化轉(zhuǎn)換為電量變化,通過對電量變化檢測,后根據(jù)熱電偶分度表對應(yīng)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(shè)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(jù)所使用的金屬材質(zhì)，其測溫范圍從-200℃至+2500℃，適用于大多數(shù)應(yīng)用；②堅固耐用：熱電偶的抗振動沖擊性能較好，可用于惡劣環(huán)境；③安全性：熱電偶無需外部激勵源，幾乎不會自發(fā)熱，使用比較安全。
　　如圖1所示，在實際測量溫度應(yīng)用中，冷端溫度很難維持在熱電偶分度表中標定的0℃，而且會變化。因此僅根據(jù)分度表中的溫度、電壓對應(yīng)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-電壓特性曲線本身還具有一定的非線性。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的誤差。
2冷端溫度補償
　　根據(jù)式（1）可知，熱電偶測溫系統(tǒng)中，需要根據(jù)冷端溫度，得到測量端溫度，這一過程稱為冷端溫度補償[6-8]。
　　目前的冷端補償方法，從測量設(shè)備的角度劃分，可分為外部補償法和內(nèi)部補償法。
2.1外部補償
　　外部補償是指在測量設(shè)備的外部獲知熱電偶冷端溫度，進行補償。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(zhuǎn)換成1-5VDC或4~20mA電流的設(shè)備，用戶測量設(shè)備端根據(jù)接收到的電流或電壓，得出熱電偶的測量電壓，而后根據(jù)測量電壓對比分度表進行查表或公式法，得到測量溫度值。

　　實際應(yīng)用中，溫度變送器通常安裝在測量設(shè)備外部，距離熱電偶測溫點相對較近的位置。示意圖見圖2。
　　其優(yōu)點在于：①靈活性強，可適應(yīng)不同類型的熱電偶；②轉(zhuǎn)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(shè)備端，降低信號調(diào)理復(fù)雜程度；④溫度變送器與測量設(shè)備端可用普通導線，降低成本。
　　但缺點也比較明顯①溫度變送器需要外部供電，增加電源設(shè)計復(fù)雜性；②在環(huán)境惡劣區(qū)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）補償線與測量設(shè)備輸入引線的連接點處，安裝熱電阻（RTD），進行實時測溫，并將熱電阻信號傳回測量設(shè)備。實際應(yīng)用的連接示意圖，見圖3。

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

　　冷端恒溫法，在實際應(yīng)用中，決定其補償效果的關(guān)鍵因素有兩點：①恒溫區(qū)的設(shè)計，如何確保恒溫以及積熱處理；②恒溫區(qū)與測溫點、測量設(shè)備的距離，距離太長（通常≤30m），也會影響補償精度。
2.2內(nèi)部補償
　　內(nèi)部補償，是在測量設(shè)備的內(nèi)部進行溫度補償，所以需要將熱電偶通過補償導線連至設(shè)備內(nèi)。具體方法，可采用集成溫度傳感器芯片方式、電橋法、熱敏電阻等實現(xiàn)。實際應(yīng)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是專用于K型熱電偶補償?shù)募尚酒捎迷撔酒瑒t信號鏈設(shè)計簡單，無需軟件進行額外處理，其連接示意圖如圖6所示。

　　這類方式的優(yōu)點：①降低熱電偶采集信號鏈設(shè)計復(fù)雜程度；②對干擾信號具有很高的抑制能力；③可從硬件上進行非線性校正，提高精度。但是這種方式存在很明顯的缺點，集成溫度傳感器的運放，并不能適應(yīng)多種熱電偶，通常只能適應(yīng)1到2種，局限性較大；此外，在內(nèi)部補償?shù)牧硪粋€缺點是，補償線需要引入到PCB板上連接，實際設(shè)計時需要考慮結(jié)構(gòu)上的實現(xiàn)性，若測量設(shè)備為密封腔體，那么將補償線直接接到設(shè)備內(nèi)的采集板卡上，不易實現(xiàn)。
2.3內(nèi)外結(jié)合的補償方式
　　在工作環(huán)境比較復(fù)雜、惡劣的情況下，如文中所述的濕熱、腐蝕性環(huán)境，此時測量設(shè)備通常會要求密封、耐腐蝕等。從電氣和結(jié)構(gòu)上考慮，采用單一的外部或內(nèi)部補償方式難以滿足要求。
為解決該問題，本文提出一種將內(nèi)部補償與冷端恒溫補償法結(jié)合并進行計算修正的方式，其連接示意圖如圖7所示。

　　本文設(shè)計中，外部仍然采用補償導線，連接至密封測量設(shè)備的表面連接器，連接器針腳材質(zhì)可選用與補償導線一致的；在密封設(shè)備內(nèi)部，即連接器內(nèi)側(cè)設(shè)置獨立的腔體，該腔體將連接器包裹在內(nèi)，同時采用隔熱材料與設(shè)備內(nèi)發(fā)熱部分（主要是板卡）隔開；獨立腔體內(nèi)，設(shè)計數(shù)字溫度傳感器芯片，實時采集連接點溫度，并傳給設(shè)備的數(shù)據(jù)處理單元，進行計算修正；獨立腔體與設(shè)備采集模塊之間通過柔性帶纜或排線等導熱性能低的材料連接，以確保獨立腔體內(nèi)溫度變化緩慢。
　　然而，本設(shè)計也存在一些不足，一是對熱電偶的型號適應(yīng)性有限制，二是測量設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜。
3結(jié)論
　　在熱電偶測溫系統(tǒng)中，冷端補償是設(shè)計者最為關(guān)注的一點，其方法演變至今已有多種。本文對當前各方法進行了簡要分析，指出其優(yōu)缺點及適用性，可知，目前的補償方法并不能適用于所有的情況。根據(jù)分析結(jié)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(shè)計方法，并進行了簡要設(shè)計說明。目前該方法已應(yīng)用到工程設(shè)計中，并取得了良好的效果。