熱電偶傳感器溫控系統(tǒng)誤差研究

薛光輝 柴敬軒

摘要：熱電偶是工業(yè)生產中溫度控制系統(tǒng)常用的測量部件，其冷端補償、動態(tài)響應測量與瞬態(tài)測溫性能是目前業(yè)界的研究熱點。實際生產中，熱電偶使用不當會導致系統(tǒng)溫度的超調和滯后，從而產生溫度控制誤差，嚴重影響產品的質量。該文構建基于熱電偶的溫度控制系統(tǒng)，闡述其內部結構和工作原理，研究溫控器使用及冷端補償對溫場控制系統(tǒng)的影響，分析因溫控器設置不當、溫控器使用環(huán)境不當、補償導線反接、補償導線用錯所造成的誤差形式及解決辦法，通過干燥箱實驗驗證使用K型愷裝熱電偶會使系統(tǒng)溫度控制產生超溫和滯后現(xiàn)象，誤差最大可達17℃，提出采用PID（proportion integration differentiation）算法改進溫度控制系統(tǒng)的措施，為工業(yè)生產中的溫度控制提供借鑒。

關鍵詞：熱電偶;溫控器;控溫誤差;冷端補償;補償導線

中圖分類號：TG155;TH811 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）09-0100-05

收稿日期：2018-10-12;收到修改稿日期：2018-11-25

基金項目：國家重點基礎研究計劃（973計劃）（2014CB046306）;中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（2009QJ16）

作者簡介：薛光輝（1977-），男，河南汝州市人，副教授，博士，主要從事礦山裝備自動化與智能化、健康診斷研究。

0 引言

在實際工業(yè)生產中，系統(tǒng)的溫度控制對產品質量至關重要。熱電偶是工業(yè)生產中溫度控制系統(tǒng)常用的測量部件，對控溫系統(tǒng)的控溫準確性至關重要。其冷端補償、動態(tài)響應測量與瞬態(tài)測溫性能是目前業(yè)界的研究熱點。

趙靜宜[1]從熱電偶的選用與冷端補償進行了研究，分析了針對不同的環(huán)境應如何進行冷端補償;張根甫[2]從熱電偶傳感器的動態(tài)響應實驗中發(fā)現(xiàn)熱電偶測溫存在一定的延誤量且該延誤量與時間常數(shù)有關;白杰[3]等通過對飛機發(fā)動機內溫度測量的模擬仿真發(fā)現(xiàn)熱電偶的保護套對其測溫準確性有一定的影響;Priya Ranjan Satapathi[4]提出了一種適用于有限時間常數(shù)傳感器的時延補償方案;Mohammad Zeeshan[5]提出了一種基于神經網(wǎng)絡的熱電偶信號分配技術，以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應;BinZhao[6]利用2個傳感器同時對壓縮機內氣流的瞬態(tài)溫度進行監(jiān)測以控制失效密封極限PV（pascalvelocity）值的穩(wěn)定，滿足極端條件下對高響應傳感器的需要。

本文分析了工業(yè)生產中常用的溫度控制系統(tǒng)結構，闡述了溫控器的使用與熱電偶的冷端補償對溫度控制系統(tǒng)的控制精度和準確度綜合影響，實驗測試了熱電偶保護愷對溫度控制的影響。

1 溫度控制系統(tǒng)結構分析

工業(yè)生產過程中常規(guī)控制系統(tǒng)通常使用一次傳感器進行傳感過程參數(shù)，并通過一個控制器將一次傳感器的信號進行轉換、放大、驅動顯示過程值，并且將實測的過程值與設定單元的工藝值進行比較、計算偏差，比較運算單元根據(jù)計算的偏差結果進行PID運算，決定控制器輸出的大小，再通過輸出單元放大驅動向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號。在這種控制方式下控制的質量就會受到傳感器輸出準確性和動態(tài)性能的限制，即傳感器向控制器提供的值與實際值的接近度。

圖1為工業(yè)生產中常用的基于熱電偶的溫度控制系統(tǒng)結構圖，采用熱電偶來測量溫場內的過程溫度，將測量值接入到溫控器內，中間會經過熱電偶的冷端（一般要求冷端在某一恒定溫度內）。通常情況下，熱電偶本身的動態(tài)響應都會存在一定的滯后和延遲，從而導致熱電偶的感知過程值與溫場的實際值之間存在一定的誤差[7-10]，除了熱電偶本身的動態(tài)響應滯后延時外，其保護愷也是其測溫滯后的關鍵影響因素。

溫控器內部功能結構如圖2所示，是溫度控制系統(tǒng)中的主要元件，主要是完成熱電勢查表換算出溫度值，與工藝設定溫度進行比較、計算偏差，通過偏差，結合設定的PID參數(shù)，進行溫控器內部的PID運算，運算結果控制輸出信號的大小，輸出信號驅動固態(tài)繼電器或可控硅。

2 溫控器使用及冷端補償對溫度控制的影響

熱電偶的熱電勢是兩個接點（冷端、熱端）溫度的函數(shù)[11-13]。只有當冷端溫度恒定時，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。實際應用中，熱電偶冷端所處的環(huán)境溫度總有波動，從而使測量結果不準確，必須采取正確的補償措施。

熱電偶冷端溫度補償方法主要有恒溫法、公式修整法、儀表機械零點調整法、補償導線法、冷端補償電橋法[10]。目前，在各行各業(yè)普遍應用的熱電偶傳感器測溫、控溫系統(tǒng)中，采用的冷端溫度補償方法都是幾種的組合應用。如圖1、圖2所示，在國內自控行業(yè)的分布式控制系統(tǒng)DCS（distributed controlsystem）中普遍使用的冷端溫度補償有：在溫控器內部實現(xiàn)的補償電橋法和公式修正法，在溫場與溫控器之間使用補償導線法，在中控室內使用恒溫法;而在只用來控制或顯示單獨溫場實際溫度的不組網(wǎng)分離系統(tǒng)中，沒有中控室，補償方法主要是在溫控器內部實現(xiàn)的補償電橋法和公式修正法。

2.1 溫控器內部補償方法的使用錯誤

溫控器內部的補償電橋法、公式修正法都是由溫控器生產單位來實現(xiàn)的，專業(yè)技術很強。溫控器給用戶提供的設定參數(shù)界面，是導致補償誤差最多的地方，常見的有以下幾種類型。

2.1.1 分度號不一致

溫控器內設定的熱電偶分度號與實際使用的不一致，導致溫控器在執(zhí)行查表和公式修正程序時，用錯熱電勢分度表和補償修正公式，使補償誤差越來越大。如將K型設成J型，在150℃時，K型對應6.1383mV，反查J型毫伏對照表為116.5℃，所以在150℃時的誤差為116.5℃-150℃=-33.5℃。

2.1.2 誤差修正值設定錯誤

溫控器提供給用戶的誤差修正值設定錯誤，多數(shù)是正負值錯誤，使溫場的實際溫度向相反的方向修正，修正后的誤差是不修正時的二倍。這種錯誤出現(xiàn)的比較多，當修正值小于5℃時，工藝人員不容易發(fā)現(xiàn)。只能在溫場的定期檢測，或查找產品質量問題的專項檢測中才能發(fā)現(xiàn)。

2.1.3 使用環(huán)境溫度超出補償溫度范圍

一般的溫度控制器的技術說明書中都規(guī)定其使用的環(huán)境溫度范圍（一般為-10～50℃），冷端溫度補償在規(guī)定的范圍內做到比較精確，超出這個范圍冷端測溫補償精度都明顯下降，造成補償誤差加大。尤其是一些分離單獨控制的系統(tǒng)，溫控器的接線端子，也就是熱電偶的冷端離溫場較近，隔熱效果又不好的時候，隨著溫場溫度不斷上升或下降幅度比較大時，冷端溫度很容易就超出允許的環(huán)境溫度，進入溫控器內部冷端補償電橋法的不精確區(qū)域，也就是溫控器內部熱敏電阻（鉑熱電阻或硅溫度傳感器）的非精確測溫區(qū)，導致補償誤差加大，經連續(xù)對一個工作在150℃的烘箱進行檢測，工作3h后，補償誤差達到8℃。此時熱電偶冷端溫度（溫控器所在的位置）為55℃。

2.2 補償導線問題

補償導線是在一定溫度范圍內（包括常溫）具有與所匹配的熱電偶熱電動勢的標稱值相同的一對帶有絕緣層的導線，用他們連接熱電偶與溫控器，以補償他們與熱電偶連接處的溫度變化所產生的誤差。在使用中常會出現(xiàn)使用錯誤。

2.2.1 補償導線的正負極接反

在日常檢測過程中，有不少廠家電工對熱電偶補償導線（又名熱電偶線）的作用不了解，只知道熱電偶補償導線是熱電偶與儀表連接的專用線。而不知道熱電偶補償導線有正負極之說，隨意將熱電偶補償導線與熱電偶和儀表連接，這是錯誤的，會引起很大的誤差。以用在烘箱上，工作在150℃的K型熱電偶（鎳鉻一鎳硅）為例，如果將補償導線的正負極接反，且補償導線的兩端（即：熱電偶的冷端與溫控器的接線端子處）存在溫差。熱電偶的冷端為30℃，溫控器所在的控制室環(huán)境溫度為25℃，計算接反后造成溫度誤差為：EAB（0～30℃）=1.203mV，EAB（0～25℃）=1.0005mV，△E=-2EAB（25～30℃）=-0.405mV。查表得該電壓值相當于一10℃，即溫場溫度比溫控器的顯示值要高出10℃，對于大多數(shù)的工藝，10℃的誤差都會帶來質量問題，尤其是電子元器件的生產工藝，溫度誤差都要求控制在5℃以內，否則對元器件的電性能會造成嚴重的影響。

2.2.2 用錯補償導線

熱電偶的補償導線用錯，或干脆不用補償導線而直接用普通銅導線將熱電偶的冷端與溫控器連接起來，這是許多分離溫控系統(tǒng)普遍存在的問題，尤其是對于愷裝熱電偶，出廠時是不帶補償導線的，而且愷裝熱電偶都插裝在溫場內，熱電偶的冷端相對距離溫場較近，溫度與溫控器所在的環(huán)境溫度相比要明顯偏高，且隨著溫場溫度升高、工作時間加長，熱電偶冷端溫度有所增加。不用正確補償導線將冷端引入溫控器，就會造成很大的誤差。這種誤差大小與用錯的補償導線材質有關系，不像補償導線接反可以計算，其結果具有不確定性。仍以上面補償導線接反的情況為例，補償導線是用BV2.5mm²的銅導線，進行連續(xù)監(jiān)測，在150℃，工作1h后的顯示誤差為6℃。

3 熱電偶保護鎧對溫度控制的影響

熱電偶傳感器多為具有保護層的愷裝結構，可以提高傳感器的抗干擾性能（如抗腐蝕、抗震動），也可以使傳感器所在溫控系統(tǒng)的執(zhí)行元件穩(wěn)定工作，不至于產生對干擾的誤響應[8]。但熱電偶的保護愷會導致溫度檢測的滯后，即實際溫度已經達到系統(tǒng)設定的溫度，傳感器沒有響應，致使執(zhí)行元件繼續(xù)工作（制冷或加熱）使傳感器所監(jiān)控的溫場溫度在滯后時間內偏離工藝需要的設定值越來越大。

3.1 干燥箱實驗

為研究保護愷對溫度檢測的影響，用不帶保護層并經計量檢定合格二等標準鉑電阻溫度計全程監(jiān)測干燥箱在箱門關閉后重新達到設定值的溫度變化情況。表1為實驗相關設備，實驗數(shù)據(jù)從二等標準鉑電阻達到干燥箱溫度設定值開始記錄，圖3為干燥箱溫度實驗結果。

分析圖3，最長超溫時間可達10min。最大超溫值可達17℃。由于溫控器采用偏差控制，干燥箱內溫度會在設定值上下波動后趨于穩(wěn)定。二等標準鉑電阻所反映的是干燥箱內的真實溫度，從其示值可以看出，實際溫度在達到穩(wěn)態(tài)控制前已經遠遠超過了設定溫度值，足見愷裝熱電偶的測溫滯后對干燥箱控溫精度的影響。并且這種超溫對于大多數(shù)的生產或科研工藝都會有質的改變。但這種現(xiàn)象是傳感器所在設備的使用人員是無法知道的，只有專業(yè)的計量檢測人員才能發(fā)現(xiàn)，因此在考慮是否使用保護愷時，需要慎重。

3.2 提高控溫精度的現(xiàn)場做法

在非惡劣條件的溫場中，可以將愷裝熱電偶感溫點處的保護層切掉，使感溫點完全外漏，使熱電偶感溫點處在溫場溫度相對敏感的熱風口對面的位置。

或者將執(zhí)行元件的加熱功率做分檔處理，依據(jù)溫度設定值與實際值的偏差大小，來逐漸加大或減小加熱器的功率，保證溫沖不會太大，縮短滯后時間和滯后誤差。

3.3 應用PID控制提高控溫精度

為消除保護愷對熱電偶測溫精度影響，應選擇最佳的PID參數(shù)?？赏ㄟ^適當減小溫控器內的比例設定值，達到抑制溫場溫度超調。增加溫控器內部的微分設定值，縮短溫場溫度滯后的時間。當然，減小比例加大微分值的做法，對于不同的系統(tǒng)、不同的溫控器都需要大量的試驗反復的調整，才能得到一組最佳設定值。

必要時可以采用一些先進的算法來整定PID參數(shù)。比如可以采用神經網(wǎng)絡PID控制算法來整定溫控器的PID參數(shù)，如圖4所示。

其中，r為溫度設定值，Y為熱電偶測得溫度值。以r與Y的偏差e、de、r、y作為神經網(wǎng)絡PID控制器的輸入，經神經網(wǎng)絡運算后得到K_p、K_i和K_d輸入PID控制器，產生的控制信號經信號放大器放大后控制功率加熱元件，進而控制干燥箱的溫度，使得溫度可以智能的調節(jié)。

還可以將熱電偶與其保護愷的關系近似為換熱器，將其加入到PID控制閉環(huán)中，作為一個運算環(huán)節(jié)進行調節(jié)，如圖5所示。

換熱器的傳遞函數(shù)為：

G（s）=k/as+1其中a與k的值應根據(jù)保護愷的具體材料而定。將保護愷的換熱也作為溫控系統(tǒng)的一個考慮環(huán)節(jié)將更有利于提高系統(tǒng)的控溫精度。

4 結束語

1）構建了基于熱電偶的溫度場控制系統(tǒng)，闡述了溫控器內部結構及工作原理。

2）研究了溫控器使用及冷端補償對溫度場控制系統(tǒng)的影響，重點分析了因溫控器設置不當、溫控器使用環(huán)境不當、補償導線反接、補償導線用錯所產生的誤差形式及解決辦法。

3）通過干燥箱實驗測試了熱電偶保護愷對溫度控制的影響，發(fā)現(xiàn)保護愷會導致系統(tǒng)產生超溫與滯后，最長超溫時間可達10min，最大超溫值可達17℃，并提出了基于神經網(wǎng)絡PID和考慮保護愷影響的熱電偶模型的PID溫控系統(tǒng)改進措施。

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（編輯：徐柳）