热电偶冷端温度补偿方法比较

摘要

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。

关键词：温度控制热电偶温度补偿

目录

摘要 (1)

1. 智能仪器仪表的简介 (3)

1.1智能仪器仪表简介 (3)

1.2智能仪器仪表的作用 (3)

1.3本课题的背景和意义 (3)

2热电偶简介 (5)

2.1热电偶测温工作原理 (5)

2.2热电偶测温 (5)

2.3常用热电偶丝材及其性能 (5)

3冷端温度补偿的方法 (8)

3.1冷端温度校正法 (8)

3.2补偿导线法 (9)

3.3补偿电桥法 (10)

3.4温度补偿实例 (10)

结论 (15)

参考文献 (16)

1. 智能仪器仪表的简介

1.1智能仪器仪表简介

智能仪器是含有微型计算机或者微型处理器的测量仪器，拥有对数据的存储运算逻辑判断及自动化操作等功能。智能仪器的出现，极大地扩充了传统仪器的应用范围。智能仪器凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在家用电器、科研单位和工业企业中得到了广泛的应用。仪器仪表（英文：instrumentation）仪器仪表是用以检出、测量、观察、计算各种物理量、物质成分、物性参数等的器具或设备。真空检漏仪、压力表、测长仪、显微镜、乘法器等均属于仪器仪表。广义来说，仪器仪表也可具有自动控制、报警、信号传递和数据处理等功能，例如用于工业生产过程自动控制中的气动调节仪表，和电动调节仪表，以及集散型仪表控制系统也皆属于仪器仪表。

1.2智能仪器仪表的作用

随着微电子技术的不断发展，集成了CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器甚至A／D、D／A转换器等电路在一块芯片上的超大规模集成电路芯片(即单片机)出现了。以单片机为主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。与传统仪器仪表相比，智能仪器具有以下功能特点：①操作自动化。仪器的整个测量过程如键盘扫描、量程选择、开关启动闭合、数据的采集、传输与处理以及显示打印等都用单片机或微控制器来控制操作，实现测量过程的全部自动化。②具有自测功能，包括自动调零、自动故障与状态检验、自动校准、自诊断及量程自动转换等。智能仪表能自动检测出故障的部位甚至故障的原因。这种自测试可以在仪器启动时运行，同时也可在仪器工作中运行，极大地方便了仪器的维护。③具有数据处理功能，这是智能仪器的主要优点之一。智能仪器由于采用了单片机或微控制器，使得许多原来用硬件逻辑难以解决或根本无法解决的问题，现在可以用软件非常灵活地加以解决。例如，传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型的数字万用表不仅能进行上述测量，而且还具有对测量结果进行诸如零点平移、取平均值、求极值、统计分析等复杂的数据处理功能，不仅使用户从繁重的数据处理中解放出来，也有效地提高了仪器的测量精度。④具有友好的人机对话能力。智能仪器使用键盘代替传统仪器中的切换开关，操作人员只需通过键盘输入命令，就能实现某种测量功能。与此同时，智能仪器还通过显示屏将仪器的运行情况、工作状态以及对测量数据的处理结果及时告诉操作人员，使仪器的操作更加方便直观。⑤具有可程控操作能力。一般智能仪器都配有GPIB、RS232C、RS485等标准的通信接口，可以很方便地与PC机和其他仪器一起组成用户所需要的多种功能的自动测量系统，来完成更复杂的测试任务。

1.3本课题的背景和意义

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。

2热电偶简介

2.1热电偶测温工作原理

两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度，对于热电偶的热电势，应注意如下几个问题：（1）热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差，而不是热电偶两端温度差的函数；（２）热电偶所产生的热电势的大小，当热电偶的材料是均匀时，与热电偶的长度和直径无关，只与热电偶材料的成份和两端的温差有关；（３）当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后，热电偶热电势的大小，只与热电偶的温度差有关；若热电偶冷端的温度保持一定，这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

2.2热电偶测温

（1）热电偶测温的优点

测温准确度较高；动态响应速度快；测温范围较宽；信号可以远传，便于集中检测和自动控制；可测量局部温度甚至“点”的温度。

（2）热电偶测温的误差来源主要有哪些方面？

分度误差。由于热电偶材料不符合要求和材料均匀性差等原因，是热电偶的热电性质与统一的分度表之间存在分度误差。补偿导线所致误差。由于补偿导线和热电偶材料在100℃以下的热电性质不同将产生误差。参比端温度变化引起的误差。在利用补偿电桥法进行参比端温度补偿时，由于不能完全补偿而产生的误差。由于热电偶变质使热电性质变化而产生的误差。

（3）热电偶分度的定义是什么?分度的方法有哪些?

热电偶分度就是将热电偶的热端(测量端)置于若干个给定的温度下,热电偶的冷端(端)置于恒定温度或0℃的冰点瓶内,测定其热电势值.通过各温度点上测得的热电势

值来定被测电动势与其对应的温度关系.热电偶的分度方法通常采用纯金属定点法、比较法、黑体空腔法、恒温槽内分度和整套分度法。

2.3常用热电偶丝材及其性能

１、铂铑10－铂热电偶（分度号为Ｓ，也称为单铂铑热电偶）该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：

热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃，超达1400℃时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；使用范围较广，均匀性及互换性好；主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。