（中国电子科技集团公司第49研究所 黑龙江省哈尔滨市 150001）
摘要：热电偶构造简单、使用方便，是船舶工业上最常用的温度检测元件之一，具有测量精度高、测温范围广、热响应时间快、机械强度高、耐压性能好等优点，适用于信号的远传、自动纪录和集中控制，在温度测量中占有重要地位。本文分析了热电偶测温及冷端补偿研究与实现。
关键词：热电偶测温；冷端补偿；实现；
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，热电偶有着更广泛的应用。
一、热电偶测温及冷端补偿实现
1.基本原理。根据热电偶热电效应, 其输出的毫伏电压信号必须外接显示仪表(包括数显和记录仪等), 才能还原成对应的物理量—温度。当传输距离较远且采集到的温度信号还用于控制时, 为避免信号的衰减和环境中强电的干扰耦合, 一般现场使用温度变送器转将热电偶信号换成4～20mA 直流电流信号来传输, 热电偶测温系统是由热电偶、连接导线(补偿导线)、显示仪表等多环节构成的。把两根不同质的导体或半导体联接起来组成一个闭合回路, 该闭合回路叫热电回路。当两导体两个接点处于不同温度时, 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化而变化的，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。
2.热电偶冷端补偿方法。一是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。桥臂电阻和限流电阻均用锰铜丝绕制, 其阻值几乎不随温度变化, 另一电桥臂电阻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。这相当于将冷端变化产生的对热电势的影响, 已被补偿电桥补偿了。二是补偿导线法。当被测点与基准结点之间距离相当长时, 要用高价热电偶, 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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆其次, 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。三是软件补偿法。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。对于经常波动的情况, 可同时用测温传感器测端温度、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。四是冷端自动补偿方式。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。
3.冷端补偿数据处理。基于温度测量的冷端补偿中，其片上温度传感器的精度对热电偶温度测量精度影响很大，必须尽可能提高其温度测量精度，需要考虑器件本身消耗电功率的自发热对温度测量精度的影响。电路设计在兼顾必要的温度转换速率前提下，选择较低的时钟频率，与微处理器共用3.3 V电源，以减少元件自发热。为了最终获得热电偶所测量的温度值，后期的数据处理包括以下几个主要步骤:一是得到热电偶冷端温度后，首先查取热电偶分度表，计算该温度所对应的热电偶电动势。二是将冷端温度对应的温差电动势和测量的热电偶温差电动势求和，计算总的温差电动势; 例如测得热电偶电动势为2.15mV，根据工作端对应热电偶电动势。三是将热电偶工作端电动势查表并进行线性插值运算，得出热电偶工作端温度，结果为105.27℃。
二、处理对策
1.热电偶本身产生的误差。由于热电偶是接触式测温, 其本身热容量的变化和测温点的选取都会影响系统的测温精度。一是热电偶热容量变化。热电偶的接触法测温, 要求与被测对象保持一定时间才能达到热平衡，保持时间的长短, 同测温元件的热响应时间有关，而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件。因热电偶长期工作在环境恶劣的高温气氛中, 保护管表面沉积的灰尘、炉渣等被烧熔在表面上, 使保护套管结垢, 热阻抗增大, 导致热电偶的热容量增加, 时间常数加大, 延长了热电偶的响应时间, 使热端的温度变化总是滞后于被测温度的变化, 产生热响应误差。不仅使指示温度偏低，而且还造成测量滞后, 控制系统的实时性较差，解决的办法是更换热电偶或定期检修。二是热电偶不同结构的动态响应。热电偶根据结构的不同, 有铠装式和装配式两种基本形式，铠装式以其热响应时间快的优点, 用于温度变化快的场合。另外, 偶丝的粗细、保护管的直径大小, 都与热电偶动态响应时间有关, 选择较细的偶丝和较小的保护管可以降低热响应误差。
2.二次仪表产生的误差。热电偶之外的其它仪表称为二次仪表, 包括温度变送器、数字显示仪和记录仪等, 若仪表零点、满度发生偏移, 放大器放大系数不合适, 同样也能带来误差。一是零点未调整。在测温精度要求不高的场合, 有些二次仪表不带冷端补偿, 使用者往往忽略了这一要素, 使得仪表指示值偏低。二是记录仪表放大器参数不合适。在热电偶测温系统中, 温度参数一般不会发生突变。此时, 通过观察仪表的记录曲线, 也可以看出整个系统运行的好坏，若记录或数显有突变, 原因多是热电偶、补偿导线断线造成，这种情况要从源头检查，与补偿导线及二次仪表的接线是否松动, 若松动, 则拧紧。三是周围是否有大的电机等强电磁场干扰, 因热电偶输出电势很小, 在安装时就应该远离大电机等用电设备，对于连线接点也要有金属盒屏蔽。
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。在测温领域的多通道应用中, 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：
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[3]凌振宝,王君,朱凯光,张瑞鹏.数字温度传感器在热电偶冷端补偿中的应用[J].传感器技术,2015,(6).
论文作者:王振廷
论文发表刊物:《电力设备》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/26
标签：热电偶论文; 测温论文; 温度论文; 导线论文; 电势论文; 测量论文; 电动势论文; 《电力设备》2017年第27期论文;