熱電偶測溫系統(tǒng)的冷端補償方式

　　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。聚英電子綜合整理了目前常見的幾種熱電偶冷端補償方法，已進行了分析，說明其在實際應用中的優(yōu)劣及適用性，并提出一種新的適用補償方式。

　　在工業(yè)應用中，獲知環(huán)境或設備工作溫度常常是必須的，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，通過對電量變化檢測，后根據(jù)熱電偶分度表對應關系得到測量溫度。

　　一、熱電偶測溫特性

　　實際上，熱電偶已成為在合理精度要求范圍內，具有高性價比的寬范圍工業(yè)測溫方法。

　?、贉y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，其測溫范圍從-200℃至+2500℃，適用于大多數(shù)應用;

　?、趫怨棠陀茫簾犭娕嫉目拐駝記_擊性質能較好，可用于惡劣環(huán)境;

　?、郯踩裕簾犭娕紵o需外部激勵源，幾乎不會自發(fā)熱，使用比較安全;

　　在實際測量溫度應用中，冷端溫度很難維持在熱電偶分度表中標定的0℃，而且會變化。因此僅根據(jù)分度表中的溫度、電壓對應關系得到的測量端電勢往往是不準確的。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。

　　二、冷端溫度補償

　　在熱電偶測溫系統(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。目前的冷端補償方法，從測量設備的角度劃分，可分為外部賠償法和內部補償法。

　　2.1外部配補償

　　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1-5VTDC或4~20mA電流的設備，用戶測量設備端根據(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，距離熱電偶測溫點相對較近的位置。其優(yōu)點在于：

　?、凫`活性強，可適應不同類型的熱電偶;

　?、谵D換輸出的1~5V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;

　?、蹨y量設備端，降低信號調理復雜程度;

　?、軠囟茸兯推髋c測量設備端可用普通導線，降低成本。

　　但缺點也比較明顯①溫度變送器需要外部供電，增加電源設計復雜性;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備。

　　該方式特點如下：

　　①成本較溫度變送器方式低;

　?、陟`活性強，可適應各類熱電偶;

　?、蹮犭娮铚y溫的精度較高，使得冷端補償精度提高。

　　相應地，該方式多了一路熱電阻輸入信號，會增加測量設備采集通道;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。

　　冷端恒溫法，在實際應用中，決定其補償效果的關鍵因素有兩點：

　?、俸銣貐^(qū)的設計，如何確保恒溫以及積熱處理;

　　②恒溫區(qū)與測溫點、測量設備的距離，距離太長(通?！?0m)，也會影響補償精度。

　　2.2內部配補償

　　內部補償，是在測量設備的內部進行溫度補償，所以、需要將熱電偶通過補償導線連至設備內。具體方法，可采用集成溫度傳感器芯片方式、電橋法、熱敏電阻等實現(xiàn)。

　　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是專用于型熱電偶補償?shù)募尚酒?，采用該芯片，則信號鏈設計簡單，無需軟件進行額外處理。

　　這類方式的優(yōu)點：

　?、俳档蜔犭娕疾杉盘栨溤O計復雜程度;

　?、趯Ω蓴_信號具有很高的抑制能力;

　?、劭蓮挠布线M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?shù)牧硪粋€缺點是，補償線需要引入到 PCB 板上連接，實際設計時需要考慮結構上的實現(xiàn)性，若測量設備為密封腔體，那么將補償導線直接接到設備內的采集板卡上，不易實現(xiàn)。

　　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，文中所述的濕熱、腐蝕性環(huán)境，此時測量設備通常會要求密封、耐腐蝕等。從電氣和結構上考慮，采用單一的外部或內部償方式難以滿足要求。為解決該問題，提出一種將內部卜償與冷端恒溫補償法結合并進行計算修正的方式。

　　外部仍然采用補償導線，連接至密封測量設備的表面連接器，連接器針腳材質可選用與補償導線一致的;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，同時采用隔熱材料與設備內發(fā)熱部分(主要是板卡)隔開;獨立腔體內，設計數(shù)字溫度傳感器芯片，實時采集連接點溫度，并傳給設備的數(shù)據(jù)處理單元，進行計算修正;獨立腔體與設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。

　　三、結論

　　在熱電偶測溫系統(tǒng)中，冷端補償是設計者最為關注的一點，其方法演變至今已有多種。目前的補償方法并不能適用于所有的情況。根據(jù)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，并進行了簡要設計說明。