铠装热电偶冷端补偿的原理及方法

技术文章 1819

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铠装热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件,它直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。各种铠装热电偶的外形常因需要而极不相同,但是它们的基本结构却大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,通常和显示仪表、记录仪表及电子调节器配套使用。

铠装电偶冷端补偿原理及方法

铠装热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在电动势——热电动势,这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect)。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成铠装热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的,不同的铠装热电偶具有不同的分度表。

在铠装热电偶回路中接入第三种金属材料时,只要该材料两个接点的温度相同,铠装热电偶所产生的热电势将保持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,在铠装热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。铠装热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端,通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变,其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时,冷端的(环境)温度变化,将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的影响称为铠装热电偶的冷端补偿正常。与测量仪表连接用专用补偿导线。

铠装热电偶冷端温度补偿方法

铠装热电偶测量温度时要求其冷端(测量端为热端,通过引线与测量电路连接的端称为冷端)的温度保持不变,其热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时,冷端的(环境)温度变化,将严重影响测量的准确性。在冷端采取一定措施补偿由于冷端温度变化造成的测量不准确称为铠装热电偶的冷端补偿。 大多数测量仪器具有自动冷端补偿组态功能。

在应用铠装热电偶时只有把冷端温度保持为0度,或者进行必要的修正和处理才能得出准确的测量结果,对铠装热电偶冷端温度主要有以下几种处理方法。

冰点槽法

冰点槽法就是把铠装热电偶的冷端放入冰水混合物容器里,使T0=0℃。这种办法仅限于在科学实验中使用。为了避免冰水导电引起两个连接点短路,必须把连接点分别置于两个玻璃试管里,浸入同一冰点槽,使相互绝缘。

铠装热电偶冷端补偿的原理及方法

计算修正法

计算修正法就是用普通室温计算出冷端实际温度TH,利用公式计算:

EAB(T,T0)=EAB(T,TH)+EAB(TH,T0)

补正系数法

把冷端实际温度TH乘上系数k,加到由EAB(T,TH)查分度表所得的温度上,成为被测温度T。

用公式表达即:T= T′+ k×TH

式中:T—为未知的被测温度; T′—为参考端在室温下铠装热电偶电势与分度表上对应的某个温度;TH—室温; k—为补正系数。

零点迁移法

应用领域:如果冷端不是0℃,但十分稳定(如恒温车间或有空调的场所)。

实质:在测量结果中人为地加一个恒定值,因为冷端温度稳定不变,电动势EAB(TH,0)是常数,利用指示仪表上调整零点的办法,加大某个适当的值而实现补偿。

铠装热电偶冷端补偿的原理及方法

补偿器法

利用不平衡电桥产生热电势补偿铠装热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。

软件处理法

对于计算机系统,不必全靠硬件进行铠装热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0℃的情况,只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。

铠装热电偶冷端补偿的原理及方法

对于T0经常波动的情况,可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机,按照运算公式设计一些程序,便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号,如果多个铠装热电偶的冷端温度不相同,还要分别采样,若占用的通道数太多,宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处,只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中,对于提高多点巡检的速度也很有利。

一旦建立了冷端补偿方法,补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用NBS提供的查找表,用软件实现查找表需要存储器,但查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、精确的测量方案。

将铠装热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些,这两种方法是:

1) 利用多项式系数进行线性逼近,

2) 对铠装热电偶输出信号进行模拟线性化处理。

软件线性逼近只是需要预先确定多项式系数,不需要存储,因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式,多项式阶数越高,处理时间越长,特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时,查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。

出现软件测试方案之前,模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正铠装热电偶响应的非线性。其精度取决于修正逼近多项式的阶数,在目前能够测试铠装热电偶信号的万用表中仍采用这种方法。


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