關(guān)于熱電偶測溫系統(tǒng)中的冷端補(bǔ)償方式淺析

邵德立， 鄒佳鑫， 吳昌昊

（中國兵器裝備集團(tuán) 自動化研究所特種計算機(jī)事業(yè)部， 四川 綿陽 621000）

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。

1 熱電偶測溫特性

實(shí)際上，熱電偶已成為在合理精度要求范圍內(nèi)，具有高性價比的寬范圍工業(yè)測溫方法。 熱電偶測溫原理示意如下[1]：

圖1 中：

式中：EAB（T1）—測量端電勢；EAB（T2）—冷端電勢，在分度表中固定為0℃。 EZ—設(shè)備采集電勢。

圖1 熱電偶測溫示意圖

熱電偶特性如下[2-5]：①測溫范圍廣：目前的標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)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(shí)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(biāo)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準(zhǔn)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，要精確得到測量端溫度，必須解決冷端溫度的不確定性帶來的誤差。

2 冷端溫度補(bǔ)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(bǔ)償[6-8]。

目前的冷端補(bǔ)償方法，從測量設(shè)備的角度劃分，可分為外部補(bǔ)償法和內(nèi)部補(bǔ)償法。

2.1 外部補(bǔ)償

外部補(bǔ)償是指在測量設(shè)備的外部獲知熱電偶冷端溫度，進(jìn)行補(bǔ)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(jìn)行查表或公式法，得到測量溫度值。

圖2 溫度變送器連接示意

實(shí)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(diǎn)相對較近的位置。 示意圖見圖2。

其優(yōu)點(diǎn)在于： ①靈活性強(qiáng)， 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(qiáng)；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(dǎo)線，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(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(bǔ)償方式

在熱電偶（或電極）補(bǔ)償線與測量設(shè)備輸入引線的連接點(diǎn)處，安裝熱電阻（RTD），進(jìn)行實(shí)時測溫，并將熱電阻信號傳回測量設(shè)備。 實(shí)際應(yīng)用的連接示意圖，見圖3。

圖3 外部熱電阻補(bǔ)償方式

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(qiáng)，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(bǔ)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)。

2.1.3 冷端固定溫度補(bǔ)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(dǎo)線引至該溫度恒定的區(qū)域，并與冷端相連。實(shí)際應(yīng)用中連接示意圖如圖4 所示。

圖4 冷端恒溫補(bǔ)償方式

冷端恒溫法，在實(shí)際應(yīng)用中，決定其補(bǔ)償效果的關(guān)鍵因素有兩點(diǎn)：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(diǎn)、測量設(shè)備的距離，距離太長（通?！?0m），也會影響補(bǔ)償精度。

2.2 內(nèi)部補(bǔ)償

內(nèi)部補(bǔ)償，是在測量設(shè)備的內(nèi)部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，所以需要將熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)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(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用連接示意如圖5 所示。

圖5 中， 冷端溫度補(bǔ)償器可選用具有溫度補(bǔ)償功能的運(yùn)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(bǔ)償?shù)募尚酒捎迷撔酒?，則信號鏈設(shè)計簡單，無需軟件進(jìn)行額外處理，其連接示意圖如圖6 所示。

圖5 內(nèi)部補(bǔ)償方式

圖6 集成溫度傳感器設(shè)計示意

這類方式的優(yōu)點(diǎn)：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(jìn)行非線性校正，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(yùn)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(bǔ)償?shù)牧硪粋€缺點(diǎn)是，補(bǔ)償線需要引入到PCB 板上連接，實(shí)際設(shè)計時需要考慮結(jié)構(gòu)上的實(shí)現(xiàn)性，若測量設(shè)備為密封腔體，那么將補(bǔ)償線直接接到設(shè)備內(nèi)的采集板卡上，不易實(shí)現(xiàn)。

2.3 內(nèi)外結(jié)合的補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償與冷端恒溫補(bǔ)償法結(jié)合并進(jìn)行計算修正的方式，其連接示意圖如圖7 所示。

圖7 內(nèi)外補(bǔ)償結(jié)合的方式

本文設(shè)計中，外部仍然采用補(bǔ)償導(dǎo)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(bǔ)償導(dǎo)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(dú)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(dú)立腔體內(nèi)，設(shè)計數(shù)字溫度傳感器芯片，實(shí)時采集連接點(diǎn)溫度，并傳給設(shè)備的數(shù)據(jù)處理單元，進(jìn)行計算修正；

獨(dú)立腔體與設(shè)備采集模塊之間通過柔性帶纜或排線等導(dǎo)熱性能低的材料連接， 以確保獨(dú)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(bǔ)償是設(shè)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(dāng)前各方法進(jìn)行了簡要分析，指出其優(yōu)缺點(diǎn)及適用性，可知，目前的補(bǔ)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(bǔ)償設(shè)計方法，并進(jìn)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。