热电偶的冷端补偿方法探讨
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热电偶的冷端补偿方法探讨
苗志全 张 波
(华北科技学院
,河北 燕郊
101601)
【摘 要】 热电偶的冷端在生产实际中大都采用冷端补偿法来解决 。与热电偶配合使用的温度指示仪表大都带
有冷端补偿系统
,为了更准确地对这些仪表进行计量检测
,我们采用各种方法来消除补偿导线引起的误差
,从而可
以对高准确度的热电偶测温仪表进行计量 。我们也可以对冷端补偿进行单独的计量
,这样通过分别对直流电压测
量准确度和冷端补偿的准确度的计量
,就可以更加准确地评定多功能 、智能化的测温仪表的准确度 。
【关键词】 热电偶
;冷端补偿
;探讨
Thermocouple Col d End of the Method of Compensation
MIAO Zhi2
quan
ZHAN G B o
【
Abstract】
Thermocouple in the production of cold2
in the most practical use of cold2
compensation method to solve , and thermo2
couple temperature with the use of the most direct instrument with cold2
compensation system , in order to more accurate measure2
ment of these instruments for testing , we use the Ways to eliminate compensation wire caused the error and thus the high degree of
accuracy in measuring thermocouple Thermometer. We can also compensate for the cold end of a separate measure , adopted re2
spectively on such DC voltage measurement accuracy and cold2
compensation accuracy of the measurement , we can more accurately
inform the multi2
functional , intelligent Thermometer accuracy.
【
Key words】
thermocouple ;cold2
compensation ; discussion
〔中图分类号〕
O472 〔文献标识码〕
A 〔文章编号〕
1674 - 3229 (
2008)
06 - 0030 - 02
化而变化的
,其关系可由下式表示
,即
E
AB = e
AB (
T)
- e
AB (
T
0 )
式中
: E
AB ———热电偶的热电势 (
V)
;
e
AB (
T) ———温度为
T 时的接触电势 (
V)
;
e
AB (
T
0 ) ———温度为
T
0 时的接触电势 (
V) 。 当
热电偶的材料均匀时
,热电偶的热电势大小与
电极的几何尺寸无关
,仅与热电偶材料的成分和热 、冷
端的温差有关 。在通常的测量中要求冷端的温度恒
定
,把
T
0 定为常数
,此时热电偶的热电势就是被测介
质温度的单值函数
,即
Et = f (
T) 。热电偶分度表中的
热电势是在冷端温度
T
0 = 0 ℃的条件下测得的
,只有满
足
T
0 = 0 ℃的条件
,才能直接应用分度表 。在工程测量
中
,冷端温度不是
0 ℃或随环境温度的变化而变化
,这
样将引入测量误差
,因此必须采取修正或补偿措施 。 1 前言
能获得实际应用价值的温度传感器
,应具备许
多条件
,如测量范围宽 、精度高 、可靠性强 、外形尺寸
小 、耐热性能好 、响应速度快 、价格便宜并能大量生
产等等 。故温度传感器多是利用一些金属或半导体
材料的温度特性制成的 。实际应用中
,温度信号的
检测和控制
,除了利用有源元件外
,多数是采用热电
阻或热电偶 。其中
,热电偶有着更广泛的应用 。在
这里介绍热电偶及热电偶温度信号的处理 。
2 热电偶的基本工作原理
把两根不同质的导体或半导体 (
A 和
B) 联接起
来组成一个闭合回路
,该闭合回路叫热电回路 。当
两导体两个接点
1 和
2 处于不同温度
T 和
T
0 时
,回
路中就有一定的电流流过
,表明回路有电势产生
,该
电势称为热电势
,这种产生热电势的效应叫作热电
效应 。常用的热电偶由两根化学成分不同的金属导
线组成
,它们的一端焊接在一起
,放入被测介质中
,
叫做热端 。与测量仪表相联的那一端叫冷端 。当热
端与冷端有温差时
,测量仪表便能测出被测介质的
温度 。热电偶由温差产生的热电势是随介质温度变 3 热电偶冷端补偿方法
3 . 1 冷端自动补偿方式
自动补偿方式 (也称电桥补偿方式) 是利用不平
衡电桥产生的电势
,来补偿热电偶因冷端温度变化
而引起的总电势的变化
,它是一种能随着温度变化
而自动补偿的方法 。如图
1 所示 。
[ 收稿日期
] 2008 - 06 - 10
[ 作者简介
] 苗志全
(1978 - ) ,男
,华北科技学院电子信息工程系
,讲师
,硕士研究生
,研究方向
:自动化和电子信息 。
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30 ·
第
8 卷·第
6 期 苗志全等
:热电偶的冷端补偿方法探讨
2008 年
12 月
用时热电偶的
+ 端要接补偿导线的
+ 侧芯线
,热电偶
的一端要接补偿导线的一侧芯线 。这时
,补偿导线的
计量仪器的端子是温度的基准结点
,热电偶的芯线仅
延长到与补偿导线的长度相同 。测量高温时热电偶
的芯线端子温度为
1000 ℃左右
,其后使用补偿导线 。
补偿导线注意两点
:首先
,热电偶的长度由补偿 结点
的温度决定 。热电偶长度与补偿导线长度要最
佳配合
,例如
,热电偶长
50cm ,补偿导线为
5m 为宜 。
其次
,热电偶与计量仪器之间增加一个温度结点
,误
差要尽可能小
,结点要紧靠
,做到不产生温差 。
3 . 4 热电势修正法
在热电偶温度测量中
, 若冷端温度不是
0 ℃而
是某一恒定温度
T
n ,即当热电偶工作在温度差 (
T ,
T
n ) 时
,其输出电势为
E (
T , T
n )
,根据中间温度定律
,
将电势换算到冷端为
0 ℃时的热电势
,即
E (
T ,0)
=
E (
T ,T
n )
+ E (
T
n ,0)
也就是说
,在冷端温度为不变的
T
n 时
,要修正
到冷端温度为
0 ℃的电势
,应再加上一个修正电势
,
即
E ( T
n ,0) 。
3 . 5 软件补偿法
利用单片机或计算机系统的软件来进行补偿
,
能节省硬件资源
,且灵活 、抗干扰性强 。例如
,对于
冷端温度恒定但不为零的情况
,可采用查表法
,即首
先将各种热电偶分度表存储到计算机中
,以备随时
调用 。根据中间温度定律
,测温时
,把计算机采样后
的数据与计算机存储分度表中冷端温度对应的数据
相加
,相加后的数据与分度表的热电势进行比较
,得
出实际的温度值 。对于
T
0 经常波动的情况
,可同时
用测温传感器测
T
0 端温度 、
T 端温度对应的热电势
输入给计算机
,根据中间温度定律
,采用查表法来进
行计算
,并自动修正 。 将热电偶冷端置于相同环境温度中
,电桥的输
出端串接在热电偶回路中 。桥臂电阻
R
1 , R
2 , R
3 和
限流电阻
R
S 均用锰铜丝绕制
,其阻值几乎不随温度
变化
,其中
R
1 = R
2 = R
3 = 1Ω
。另一电桥臂电阻
R
CM
是由电阻温度系数较大的镍丝绕制的补偿电阻
,其
阻值随着温度升高而增大
,电桥由直流稳压电源供
电 。
在某一温度下
,设计电桥处于平衡状态
,电桥输
出为零
,该温度称为电桥平衡温度或补偿温度 。
当环境温度变化时
,冷端温度随之变化
,热电偶
的电势随之变化 (Δ
E1)
,同时
R
CM 的阻值也随环境温
度变 化
, 使 电 桥 失 去 平 衡
, 产 生 一 不 平 衡 电 压
(Δ
E
2 ) ,由于环境温度变化
,带来电势总的变化量为
Δ
E =Δ
E
1 +Δ
E
2 ,如果设计 Δ
E
2 与 Δ
E
1 的数值相等
,
极性相反
,则热电偶的输出
E 的大小将不随冷端温
度变化而变化 。这相当于将冷端
T
0 变化产生的对
热电势的影响
,已被补偿电桥补偿了 。
3 . 2 冰点器法
将热电偶冷端分别插入底部有少量水银的两根
玻璃试管中
,插入水银的冷端分别由铜导线引出
,与
仪器相连 。而试管底部铜线和热电偶冷端均放在冰
点器中
,如图
2 所示 。
4 结束语
热电偶依靠测量端与冷端温差所引起的电动
势
,来反映测量端相对于冷端的温度 。在
SMT 测温
领域的多通道 (有的超过
12 通道) 应用中
,只要能够
提高冷端补偿精度
,其便捷的设计和使用方法就会
显示出不可替代的优越性 。
[ 参考文献
] 3 . 3 补偿导线法
当被测点与基准结点之间距离相当长时
,要用
高价热电偶
,例如
B , R 和
S 型等热电偶
, 但接线也
非常难
,电阻显著增大 。因此
,热电偶端子到基准结
点间可用其他廉价热电偶代替
,这时就要用导线连
接
,称为补偿导线法 。
随着使用的热电偶的不同
,其补偿导线的构成材
料是不同的
,它要与各自对应的热电偶组合使用 。使 1 郭锐
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