热电偶冷端温度补偿法

热电偶冷端温度补偿法

一、引言

在温度控制系统中，热电偶是一种重要的传感器，常用于高温环境的温度测量。但由于热电偶产生的热电势取决于其两端的温度，只有在冷端温度保持恒定时，其输出的热电势才是测量端（热端）温度的单值函数。而且，工程技术上广泛使用的热电偶分度表和根据分度表刻划的测温显示仪的刻度都是根据冷端温度为0°C而制作的。因此，对它的冷端温度必须进行补偿，才能保证热电偶测量精度。

热电偶冷端温度的补偿方法很多。在工业仪表和生产现场中，常规补偿方法有冷端温度补偿法和补偿电桥法。较先进的补偿方法，如智能补偿法，则具有精度高，存储容量小，查表速度快等特点，是最具有发展潜力的方法之一。

二、冷端温度补偿法

如图1所示，两导体A、B间的电偶电势为：

(1)

式中，T—接触处的绝对温度；

K—波尔兹曼常数；

e—电子电荷量；

nA、nB—导体A和B的自由电子密度。

(2)

式中，T0—0°C时的绝对温度；

Tn—室温。

由式(1)、(2)可以发现，只要找到一个合适的温度补偿值，它是室温Tn的函数，将其加到测量值EAB(T,Tn) 上，可算出EAB(T,T0),再根据手册提供的温度—热电势对照表（分度表）就可以得出相应的检测点的温度。

三、电桥补偿法

电桥补偿法工作原理如图2所示。电桥的输出端与热电偶串联，并将热电偶的冷端与电桥置于同一温度场中。设计电桥时一般选择20°C为电桥平衡温度，此时a、c两点电位相等，电桥输出电压为零。当温度不等于20°C时，热电偶由于冷端温度变化使热电偶的输出电势产生变化量△E，此时由于RH（RH的电阻温度系数较大，其余桥臂电阻均由电阻温度系数很小的锰铜丝绕成，可认为其阻值不随温度变化）的阻值变化，使a、c两点间电位不等，电势差不为零，自动给出一个补偿电势△E`。由于△E和△E`大小相等，方向相反，这样便达到自动补偿的目的。

但此法中，不同型号的补偿器只能与相应的热电偶配套使用，而且只能在规定的范围内使用，通常为0~40°C。

四、智能补偿法

在智能化温度测控系统中，通常用软件方法对冷端温度进行补偿，如图3所示。智能温度控制系统中，单片机或单板机是系统的核心，只要在该系统的控制软件中加上冷端温度补偿算法，便可以将温度的检测精度大大提高，而且对不同的热电偶只要改变数据转换表即可，系统的适应性大为增强。

在该系统中，多路器由微机控制，可以分别接两路通道，即分别测量热电偶和集成温度传感器的输出信号。信号调理模块应选用具有动态自动校零集成运算放大器（如ICL7650），放大倍数的选择应针对不同的热电偶取不同的值。所要注意的是为了消除输入管脚和相邻管脚之间不同电位所造成的漏电流，应采用保护环进行电位跟踪。如选用8脚的TO-8型圆形

管壳封装，2脚和3脚两旁的空隙构成环状保护环，对输入端进行保护；如选用双列直插式封装，只需将3脚和6脚短路，即构成了保护环，见图4。

为了提高抗干扰能力，采用双积分A/D转换芯片ICL7135，完成A/D转换。

量程根据精度需要选择，可为0~200mV，0~2000mV；转换速度一般为6次/s或12次/s，以保证瞬时检测值的准确性。

键盘接口设计要与PC键盘兼容，这样可直接利用市售的小键盘（PC键盘的数字部分）。设计中主要从硬件接口、软件接口两方面使CLK、DA TA信号符合103键PC标准键盘的时序要求。采用外中断0的边沿触发中断方式，检测按键及按键的键值。接收到的半行数据中，D0~D6七位为各键扫描码，在键按下时发出的数据中，D7=1，D8为结束标志，D8=1时表示一组数据发送完毕。对于热电偶的非线性补偿，虽然可以通过分段线性化补偿，但运算比较复杂。可利用最小二乘法原理得到拟合公式：

式中，ai—多项式系数；

e—热电势；

n—正整数。

如T分度号热电偶的多项式系数为：

a0=2.5661297×10;

a1=-6.1954869×10-1;

a2=2.2181644×10-2;

a3=-3.5500900×10-4

而E分度号热电偶的多项式系数为：

a0=0;

a1=1.7022525×10 ;

a2=-0.2209924;

a3=5.4809314×10-3

上式可表示成：T=f(e)，它的反函数为：e=f1(T)，测得的冷端温度由其算出即：e(T0)=f1(T0)，再与实测电势E(T,T0)相加，得热电势e(T)，用T=f(e)就可求得被测温度T。有时反函数很难从原函数求出，可用牛顿迭代法求其近似值。

由于传统的直接查表法是将热电偶的分度表存入微机，用逐点法对每个采样值查表，得出温度的近似值，这种方法要求存储容量大，查表时间长。而增量迭代法将分度表进行等价变换，设计成增量表，这样存储容量只占原分度表的一半，查表速度提高。查表时可以直接定位，根据前后二次采集到的热电势及升降情况，代迭代累加或累减运算，就能求出当前测得的温度。