热电偶冷端温度补偿方法

热电偶冷端温度补偿方法概述1、由热电偶测温原理知道，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。2、利用热电偶测温，其温度与热电势关系曲线是在冷端温度为0℃时分度的，我们利用补偿导线仅仅使冷端延伸到了温度较低或比较稳定的操作室，并没有保证冷端温度为0℃，因此，测量结果就会有误差存在。为了消除这种误差，必须进行冷端温度补偿。冷端恒温法1.冰点槽法2.恒温箱法优点：简单易行，补偿精度高。缺点：冰水混合物制作麻烦，恒温器一般容量有限(受热电偶直径的限制)。一般只在实验室中采用这种方法。补偿电桥法当冷端温度上升至𝑡0′时，热电势为𝐸𝐴𝐵t,𝑡0′，减少了∆E=𝐸𝐴𝐵(𝑡0′,𝑡0)而RCu阻值随温度升高而增大，使得𝑈ab=𝐸𝐴𝐵(𝑡0′,𝑡0)则𝐸𝐴𝐵t,𝑡0′+𝑈ab=𝐸𝐴𝐵t,𝑡0′+𝐸𝐴𝐵(𝑡0′,𝑡0)=𝐸𝐴𝐵(t,𝑡0)即冷端温度的变化对测温回路的总电势不产生影响,实现了冷端温度补偿。热电偶冷端与电阻RCu感受相同的温度。当冷端温度为𝑡0时，𝑅1=𝑅2=𝑅3=𝑅𝐶𝑢𝑡0则电桥平衡,𝑈𝑎𝑏=0，热电偶输出电势为𝐸𝐴𝐵(t,t0)补偿电桥法改进：用工业铜电阻Cu50，来代替原来的铜绕电阻，𝑅1=𝑅2=18kΩ，工业铜电阻Cu50阻值与温度的关系为：𝑅𝐶𝑢𝑡0′=𝑅𝐶𝑢𝑡01+𝛼(𝑡0′−𝑡0)在0℃时的阻值为50Ω,对铜电阻在O一100℃范围内取α=4.28×10−3(1/℃)。由此可知在20℃时，Cu50阻值为54.28Ω，所以𝑅3=54.28Ω传统的电桥补偿器采用统一设计参数：桥臂电阻𝑅1=𝑅2=𝑅3=1Ωt0时𝑅𝐶𝑢𝑡0=1Ω，工作电源电压𝐸=4𝑉𝐷𝐶，𝑡0′时完全补偿,即𝑈ab=𝐸𝐴𝐵(𝑡0′,𝑡0)补偿电桥法如右图所示，在补偿范围内只有在冷端温度为𝑡0和𝑡0′两点能够完全补偿即无补偿误差，其他冷端温度下只能部分补偿，即存在补偿误差。注意：所有冷端补偿电桥只能与相应型号的热电偶及所规定的温度范围内配套使用;冷端温度补偿电桥与热电偶连接的极性必须严格保持一致,否则不但起不到补偿作用,反而会增大温度误差。𝑈ab及𝐸𝐴𝐵(t,𝑡0)随温度变化曲线优点：结构简单，成本较低缺点：适用性差晶体管PN结补偿法当恒定电流正向流过PN结时,其管压降有负的温变系数,对温度有较高的灵敏度和较好的线性。PN结在-100℃～+100℃范围内,其端电压与温度有较理想的线性关系。PN结压降与温度之间的关系曲线晶体管PN结补偿法电路中将基极与集电极短路,以便获得晶体管发射结的PN结特性。采用并联于PN结两端的调节电位器𝑅𝑤来调整晶体管输出电压𝑈1,𝑈1=α𝑈𝑏𝑒𝑈𝑏𝑒=𝑈𝑓+𝛾𝑇0,𝑈𝑓为0℃时晶体管管压降，𝛾0为晶体管温度系数。𝑈𝑜=𝑈𝑡𝑐𝑅3𝑅1−𝛼𝑈𝑏𝑒𝑅3𝑅2−𝑈𝑜𝑠𝑅3𝑅6，𝑈𝑡𝑐=𝐸𝑇,𝑇0=𝐸𝑇,0−𝐸𝑇0,0设计中另𝑅2=𝑅6，𝑈os=−𝛼𝑈𝑓,用来补偿𝛼𝑈𝑓。𝑈𝑜=𝐸𝑇,𝑇0𝑅3𝑅1−𝛼𝛾𝑇0𝑅3𝑅2=𝐸𝑇,0𝑅3𝑅1−𝐸𝑇0,0𝑅3𝑅1−𝛼𝛾𝑇0𝑅3𝑅2,令𝐸𝑇0,0𝑅3𝑅1=−𝛼𝛾𝑇0𝑅3𝑅2这样便使热电势只与测量端的温度T有关，实现冷端补偿。PN结补偿法优点：成本低，补偿元件不必自行制作，对常用热电偶测温可实现大范围，平稳高精度测量。缺点：在温度范围变化较大时影响精度。AD590冷端补偿法AD590是一双端器件,其输出电流与绝对温度K成正比(1𝜇𝐴/𝐾)。𝑉W1=1𝜇𝐴𝐾𝑊1∙𝑇0𝐸𝑇,𝑇0=𝐸𝑇,0−𝐸𝑇0,0=𝐸0+αT−𝑇0α是电压温度系数，单位mV/k，E0为一修正值。调节W1，使𝑉W1=𝛼𝑇0，使得运放的同相端电压𝑈1=𝐸𝑇,𝑇0+𝑉W1=𝐸0+αT只与工作端的温度有关，实现了冷端温度的自动全补偿。AD590冷端补偿法注意：这种只适用于某一型号的热电偶，使用其他类型热电偶时,应根据其电压温度系数α重新调节W1的阻值。优点：精度高、成本低、体积小、调试简单、使用灵活、冷端温度补偿范围大(可在一55℃到+150℃的范围内进行补偿)。缺点：对运放及电压源的要求高，电阻的选取应保证具有足够的精度。微机补偿算法温度与热电势的关系曲线当用热电偶测量温度时,热电偶将产生热电势值E,设EjEEj+1,则温度值T为:T=𝑇𝑗+𝑇𝑗+1−𝑇𝐽𝐸𝑗+1−𝐸𝑗𝐸−𝐸𝑗=𝑇𝑗+𝛼𝑗(𝐸−𝐸𝑗)其中α=𝑇𝑗+1−𝑇𝐽𝐸𝑗+1−𝐸𝑗微机补偿算法在微机的运行程序中建立两个表，格式如下，表1中𝛽𝑗=𝐸𝑗+1−𝐸𝑗𝑉𝑗+1−𝑉𝑗𝐸1=𝐸𝐽+𝛽𝑗(𝑉1−𝑉𝑗)表2中𝛼𝑗=𝑇𝑗+1−𝑇𝑗𝐸𝑗+1−𝐸𝑗T=𝑇𝐽+𝛼𝑗(𝐸−𝐸𝑗)表1表2微机控制测量过程如下：1)微机发指令选热电偶通道,读取热电偶的热电势E’。2)微机发指令选LM335通道,读取LM335输出值V13)根据V1查表得出热电势E1。4)计算E=E’+E1,5)查表,由E得到对应的温度T微机补偿算法LM335输出电压与热力学温度成正比，测温原理与AD590相似微机补偿算法优点：补偿精度高，用软件补偿使用方便。缺点：分度表的转换及存储是一个比较复杂的过程,其内存量大,工作繁琐。最小二乘法补偿测量电路图采用二元四次最小二乘拟合法在热电偶测量中，输入是参比端温度T0和热电偶实测热电势E(即E(T,T0))，输出是热电偶工作端温度T。其测量电路如图所示,其中热电偶参比端温度通过热电阻Rt测得,并且经过软件校正.最小二乘法补偿热电偶实际温度T与参比端温度T0、热电偶实测热电势E之间的拟合方程为TE,𝑇0=FE∙S∙T𝑇0S为拟合矩阵。其中FE={1，𝐸1，𝐸2，𝐸3，𝐸4}TT0={1，𝑇01，𝑇02，𝑇03，𝑇04}S=𝑆00⋯𝑆04⋮⋱⋮𝑆40⋯𝑆44经过多次实验测量与计算得出S的值。优点：可同时实现热电偶的冷端补偿和非线性校正，因而不必购量昂贵的硬件冷端补偿装置，并省去了复杂的非线性校正环节。缺点：计算量大，需要有软件配合。总结不同的补偿方法都有其自身的优缺点和适用范围。在实际工作中要根据实际需要，选择有所侧重的方法，达到理想的补偿效果。谢谢！