關于熱電偶測溫系統中的冷端補償方式淺析

摘要:在熱電偶測溫系統中,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。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,說明其在實際應用中的優劣及適用性;并提出一種新的實用補償方式。
0引言
　　在工業應用中，獲知環境或設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,后根據熱電偶分度表對應關系得到測量溫度。
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，根據所使用的金屬材質，其測溫范圍從-200℃至+2500℃，適用于大多數應用；②堅固耐用：熱電偶的抗振動沖擊性能較好，可用于惡劣環境；③安全性：熱電偶無需外部激勵源，幾乎不會自發熱，使用比較安全。
　　如圖1所示，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
　　根據式（1）可知，熱電偶測溫系統中，需要根據冷端溫度，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，從測量設備的角度劃分，可分為外部補償法和內部補償法。
2.1外部補償
　　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1-5VDC或4~20mA電流的設備，用戶測量設備端根據接收到的電流或電壓，得出熱電偶的測量電壓，而后根據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。示意圖見圖2。
　　其優點在于：①靈活性強，可適應不同類型的熱電偶；②轉換輸出的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測量設備端，降低信號調理復雜程度；④溫度變送器與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在環境惡劣區域，如濕熱、酸性、鹽霧環境中，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境及濕度在正常水平的環境中。
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。實際應用的連接示意圖，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。相應的，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，需要根據使用環境考慮，并非一件簡單的事情。但綜合來看，其比較容易實現。
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域，測量設備的輸入端也用普通導線引至該溫度恒定的區域，并與冷端相連。實際應用中連接示意圖如圖4所示。

　　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：①恒溫區的設計，如何確保恒溫以及積熱處理；②恒溫區與測溫點、測量設備的距離，距離太長（通常≤30m），也會影響補償精度。
2.2內部補償
　　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。實際應用連接示意如圖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型熱電偶補償的集成芯片，采用該芯片，則信號鏈設計簡單，無需軟件進行額外處理，其連接示意圖如圖6所示。

　　這類方式的優點：①降低熱電偶采集信號鏈設計復雜程度；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，在內部補償的另一個缺點是，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性，若測量設備為密封腔體，那么將補償線直接接到設備內的采集板卡上，不易實現。
2.3內外結合的補償方式
　　在工作環境比較復雜、惡劣的情況下，如文中所述的濕熱、腐蝕性環境，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補償方式難以滿足要求。
為解決該問題，本文提出一種將內部補償與冷端恒溫補償法結合并進行計算修正的方式，其連接示意圖如圖7所示。

　　本文設計中，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熱部分（主要是板卡）隔開；獨立腔體內，設計數字溫度傳感器芯片，實時采集連接點溫度，并傳給設備的數據處理單元，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。
3結論
　　在熱電偶測溫系統中，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。本文對當前各方法進行了簡要分析，指出其優缺點及適用性，可知，目前的補償方法并不能適用于所有的情況。根據分析結果，針對具有特殊要求的使用環境如濕熱、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。目前該方法已應用到工程設計中，并取得了良好的效果。