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热电偶测温中的线性补偿与放大技术的分析与探讨

来源:www.chems4you.com作者:发表时间:2017-09-20

 【 摘要 】热电偶是作为常用的温度检测元件之一,在温度测量过程中,具有较高的精准度。在用热电偶测温时 ,要注意两个方面:一是对若干被测点作经常性反复测量时 ,如何对参考点可能的温度变化作出自动补偿 ,从而使参考点的温度保持在 0℃。第二个就是在用热电偶作高灵敏度温度测量时,如何将微弱的电流信号进行放大。本文对热电偶测温中的线性补偿与放大技术进行了简要分析和探讨。

 
1 引言
        热电偶作为工业上常用的测温元件,具有构造简单、使用方便、测温范围广、上限值大、精度高等特点。用热电偶测量温度时,需要注意二个方面的问题:一是对若干被测点作经常性反复测量时,如何对参考点可能的温度变化作出自动补偿,从而使参考点的温度保持在 0℃。第二个就是在用热电偶作高灵敏度温度测量时,如何将微弱的电流信号进行放大。
 
2 热电偶工作原理
        热电偶测温系统的测温原理热电偶温度计由热电偶、电测仪表和连接导线组成,其测温原理基于物理学中“热电效应”现象,就是把任意两种不同的导体(或半导体)连接成闭合回路,如果两个接点的温度不同,在回路中就会产生热电势,形成热电流,这就是“热电效应”。热电偶温度计就是利用该原理,把两种不同的金属材料一端焊接而成的,焊接的一端叫测量端(也叫热端或工作端),未焊接的一端叫参考端(也叫冷端或自由端),如果参考端的温度恒定不变,则热电势的大小和方向就只与这两种材料的特性和测量端的温度有关,且热电势和温度之间有一个固定的函数关系,利用这个关系,只要测量出热电势的大小,再配以测量毫伏级电势信号的仪表或变送器就实现了温度的测量或温度信号的变换。
 
        在进行温度测量时,将热电偶热端插入被测温的设备或管道中,使其热端感受被测介质的温度,其冷端置于恒定的温度之下,并用连接导线连接电气测量仪表。根据热电偶基本定律之一的中间导体定律,在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,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。
 
        将两种符合一定要求的不同材料的导体或半导体 A 和B 的任意一端焊接在一起就构成了热电偶。组成热电偶的导体或半导体称为热电极,被焊接的一端插入测温场所,称为工作端,另一端称冷端。当两端温度不相同时就会有热电势产生,它是测量温度的感温元件,将温度信号转换为电信号再由仪表显示出来。热电偶是利用热电效应(塞贝克效应)工作的,工作原理见图1,由两种不同的金属导体A和B组成闭合回路,当两端结点温度不同(设为t和 t 0 ,其中t为热电偶测量端温度,t 0 为参比端即冷端温度),则回路内将产生热电动势 E AB (t,t 0 )。热电势的大小只与热电偶导体的材料以及两端的温差有关,t与 t 0的温差越大,热电势越大,与热电偶导体的长度、直径等无关。
热电偶工作原理图
3 热电偶冷点补偿原理
        由热电偶测温原理可知,热电势的大小与热电偶两端的温度有关。只有当热电偶冷端温度保持不变时,热电势才是被测温度的单值函数。因此,要准确地测量温度,必须使其参考端温度恒定,热电偶冷端最好应保持0℃,一般固定在0℃,而在现场条件下使用的仪表则难以实现,因此必须对其参考端进行温度补偿修正,以确保温度测量的准确性。
 
        测温的目的是测得以0℃为基准的测量端即热端温度t,而热电偶输出热电势 E AB (t,t 0 ) 反映的是相对于冷端温度的热端温度,只有将冷端置于冰水混合液中,才能使冷端温度 t 0 不受环境温度的影响始终保持0℃,此时热电势 E AB (t,t 0 ) 对应于标准分度表的温度才是测量点即热端的温度。而在实际工程应用中,很难保证这样的条件,这也是热电偶测温过程中需要冷端补偿的原因和意义。根据中间温度定律,
 
        由式(2)可知,只要将实测热电势 E AB (t,t 0 ) 加上冷端修正热电势
 
        即可得到热电偶测量端热电势 E AB (t 0 ,0),通过查标准温度表即可得到热端温度 t,或者冷端处于恒温环境,即 t 0 已知的情况下,也可以方便地测得热端温度 t。这种通过修正热电势 E AB (t 0 ,0) 或 t 0 进而得到热端温度 t 的过程即为热电偶的冷端温度补偿。
热电偶的分度号与测温范围关系表
4 热电偶测温中的线性补偿
        热电偶温度信号非线性是比较大的,如 B 偶,从 0℃升高到 1800℃,热电势从 0mV 变化到 13.585mV,每 100℃热电势增加最大的约为最小的 8 倍。B 偶的最大输出热电势只有 13.585mV,而且当温度升高到约 1700℃时,该增加值下降。其它热电偶都存在类似的问题,尽管稍有不同。这又给线性化增加了难度。从这一特性出发,热电偶温度信号的线性化主要有如下几种方法。
(1)单反馈法
        利用负反馈,可以改善其线性,但是很有限。几种非线稍小的热电偶,可以采用这种方法,特别是在温区要求不宽的情况下。有时,由于在其一温区有精度要求,那么就在该温区对信号进行调理,达到要求的目标;在其它温区可以放宽精度要求,甚至不要求,只作监视用。
(2)折线近似法
        这是一种对非线性较大的信号处理的较好的方法。处理得好可以达到较高的精度。这种方法普遍适用于各种热电偶的整个正信号温区。
折线近似法
        该种方法的电路原理图如图 2 所示。该电路的工作过程是:当输入的电压信号较低时,IC 1 中的反相端电压较同相端 (A) 低得多(同相端的电压大小是根据线性化要求设定的,B 点同样),IC 1 的输出端电压较高,D 1 截止。当输入信号电压接近IC 1 的同相端时,IC 1 的输出逐渐降低,随之,D 1 逐渐导通,V 4 逐渐增大,直到 V 4 接近 A点电压为止。这就有效地限制了热电偶信号迅速增加,降低了非线性。IC 2 的工作过程与此类似,不同的是B点电位比A点高。当输入电压在A点电压以下时,D 2 截止,IC 2 不工作;只有当输入电压高于A点电压或接近B点电压时IC 2 才工作。工作过程与IC 1 相同。所用折线的段数是根据精度要求决定的。对于热电偶信号处理来说,有三段就可以使精度达到 0.5% 以上。
 
5 热电偶测温中的放大技术
        AD8494/AD8496/AD8497 热电偶放大器为热电偶温度测量提供了有效可行的放大技术。这些放大器解决了热电偶测量的许多困难。集成温度传感器执行冷结补偿。固定增益仪表放大器放大热电偶的小电压,以提供 5mV/℃输出。表 2 显示了基准结上 0℃和 50℃各种组合的 J 型热电偶电压示例和 AD8494 放大热电偶电压并补偿基准结温变化,从而消除误差的性能。
J 型热电偶电压和 AD8494 对数
        图 3 显示了 AD849x 电路的框图。AD849x 包括一个低失调、固定增益仪表放大器和一个温度传感器。
 
6 结语
        综上所述,用热电偶作温度测量时,必须解决好线性补偿和数据放大问题。第一,针对若干被测点作经常性反复测量时不容易使参考点的温度保持在 0℃的问题,可通过对参考点可能的温度变化作出自动补偿从而使问题简单化。第二,针对在用热电偶作高灵敏度温度测量时如何把微弱的直流电压信号进行放大的问题,可通过先将直流电压调制成交流信号,经放大后再解调还原成直流,并通过AD8494/AD8496/AD8497 热电偶放大器对电流信号进行放大来解决。可以预见,随着科学技术的不断发展,热电偶测温的精度会得到更大的提高。

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