熱電偶測溫中的線性補(bǔ)償與放大技術(shù)的分析與探討

熱電偶是作為常用的溫度檢測元件之一，在溫度測量過程中，具有較高的精準(zhǔn)度。在用熱電偶測溫時(shí) ,要注意兩個(gè)方面：一是對若干被測點(diǎn)作經(jīng)常性反復(fù)測量時(shí) ,如何對參考點(diǎn)可能的溫度變化作出自動(dòng)補(bǔ)償 ,從而使參考點(diǎn)的溫度保持在 0℃。第二個(gè)就是在用熱電偶作高靈敏度溫度測量時(shí)，如何將微弱的電流信號進(jìn)行放大。本文對熱電偶測溫中的線性補(bǔ)償與放大技術(shù)進(jìn)行了簡要分析和探討。

1 引言

熱電偶作為工業(yè)上常用的測溫元件，具有構(gòu)造簡單、使用方便、測溫范圍廣、上限值大、精度高等特點(diǎn)。用熱電偶測量溫度時(shí)，需要注意二個(gè)方面的問題：一是對若干被測點(diǎn)作經(jīng)常性反復(fù)測量時(shí)，如何對參考點(diǎn)可能的溫度變化作出自動(dòng)補(bǔ)償，從而使參考點(diǎn)的溫度保持在 0℃。第二個(gè)就是在用熱電偶作高靈敏度溫度測量時(shí)，如何將微弱的電流信號進(jìn)行放大。

2 熱電偶工作原理

熱電偶測溫系統(tǒng)的測溫原理熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、電測儀表和連接導(dǎo)線組成，其測溫原理基于物理學(xué)中“熱電效應(yīng)”現(xiàn)象，就是把任意兩種不同的導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）連接成閉合回路，如果兩個(gè)接點(diǎn)的溫度不同，在回路中就會(huì)產(chǎn)生熱電勢，形成熱電流，這就是“熱電效應(yīng)”。熱電偶溫度計(jì)就是利用該原理，把兩種不同的金屬材料一端焊接而成的，焊接的一端叫測量端（也叫熱端或工作端），未焊接的一端叫參考端（也叫冷端或自由端），如果參考端的溫度恒定不變，則熱電勢的大小和方向就只與這兩種材料的特性和測量端的溫度有關(guān)，且熱電勢和溫度之間有一個(gè)固定的函數(shù)關(guān)系，利用這個(gè)關(guān)系，只要測量出熱電勢的大小，再配以測量毫伏級電勢信號的儀表或變送器就實(shí)現(xiàn)了溫度的測量或溫度信號的變換。在進(jìn)行溫度測量時(shí)，將熱電偶熱端插入被測溫的設(shè)備或管道中，使其熱端感受被測介質(zhì)的溫度，其冷端置于恒定的溫度之下，并用連接導(dǎo)線連接電氣測量儀表。根據(jù)熱電偶基本定律之一的中間導(dǎo)體定律，在熱電偶回路中接入第三種金屬材料時(shí)，只要該材料兩個(gè)接點(diǎn)的溫度相同，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。因此，在熱電偶測溫時(shí)，可接入測量儀表，測得熱電動(dòng)勢后，即可知道被測介質(zhì)的溫度。將兩種符合一定要求的不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體 A 和B 的任意一端焊接在一起就構(gòu)成了熱電偶。組成熱電偶的導(dǎo)體或半導(dǎo)體稱為熱電極，被焊接的一端插入測溫場所，稱為工作端，另一端稱冷端。當(dāng)兩端溫度不相同時(shí)就會(huì)有熱電勢產(chǎn)生，它是測量溫度的感溫元件，將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號再由儀表顯示出來。熱電偶是利用熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）工作的。偶測量端溫度，t 0 為參比端即冷端溫度），則回路內(nèi)將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢 E AB (t，t 0 )。熱電勢的大小只與熱電偶導(dǎo)體的材料以及兩端的溫差有關(guān)，ｔ與 t 0的溫差越大，熱電勢越大，與熱電偶導(dǎo)體的長度、直徑等無關(guān)。

3 熱電偶冷點(diǎn)補(bǔ)償原理

由熱電偶測溫原理可知，熱電勢的大小與熱電偶兩端的溫度有關(guān)。只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變時(shí)，熱電勢才是被測溫度的單值函數(shù)。因此，要準(zhǔn)確地測量溫度，必須使其參考端溫度恒定，熱電偶冷端最好應(yīng)保持０℃，一般固定在０℃，而在現(xiàn)場條件下使用的儀表則難以實(shí)現(xiàn)，因此必須對其參考端進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，以確保溫度測量的準(zhǔn)確性。

測溫的目的是測得以０℃為基準(zhǔn)的測量端即熱端溫度t，而熱電偶輸出熱電勢 E AB (t，t 0 ) 反映的是相對于冷端溫度的熱端溫度，只有將冷端置于冰水混合液中，才能使冷端溫度 t 0 不受環(huán)境溫度的影響始終保持０℃，此時(shí)熱電勢E AB (t，t 0 ) 對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)分度表的溫度才是測量點(diǎn)即熱端的溫度。而在實(shí)際工程應(yīng)用中，很難保證這樣的條件，這也是熱電偶測溫過程中需要冷端補(bǔ)償?shù)脑蚝鸵饬x。根據(jù)中間溫度定律，由式（2）可知，只要將實(shí)測熱電勢 E AB (t，t 0 ) 加上冷端修正熱電勢即可得到熱電偶測量端熱電勢 E AB (t 0 ，0)，通過查標(biāo)準(zhǔn)溫度表即可得到熱端溫度 t，或者冷端處于恒溫環(huán)境，即 t 0 已知的情況下，也可以方便地測得熱端溫度 t。這種通過修正熱電勢 E AB (t 0 ，0) 或 t 0 進(jìn)而得到熱端

溫度 t 的過程即為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。

4 熱電偶測溫中的線性補(bǔ)償

熱電偶溫度信號非線性是比較大的，如 B 偶，從 0℃升高到 1800℃，熱電勢從 0mV 變化到 13.585mV，每100℃熱電勢增加最大的約為最小的 8 倍。B 偶的最大輸出熱電勢只有 13.585mV，而且當(dāng)溫度升高到約 1700℃時(shí)，該增加值下降。其它熱電偶都存在類似的問題，盡管稍有不同。這又給線性化增加了難度。從這一特性出發(fā)，熱電偶溫度信號的線性化主要有如下幾種方法。

（1）單反饋法

利用負(fù)反饋，可以改善其線性，但是很有限。幾種非線稍小的熱電偶，可以采用這種方法，特別是在溫區(qū)要求不寬的情況下。有時(shí)，由于在其一溫區(qū)有精度要求，那么就在該溫區(qū)對信號進(jìn)行調(diào)理，達(dá)到要求的目標(biāo)；在其它溫區(qū)可以放寬精度要求，甚至不要求，只作監(jiān)視用。

（2）折線近似法

這是一種對非線性較大的信號處理的較好的方法。處理得好可以達(dá)到較高的精度。這種方法普遍適用于各種熱電偶的整個(gè)正信號溫區(qū)。

該種方法的電路該電路的工作過程是：當(dāng)輸入的電壓信號較低時(shí)，IC 1 中的反相端電壓較同相端 (A) 低得多（同相端的電壓大小是根據(jù)線性化要求設(shè)定的，B 點(diǎn)同樣），IC 1 的輸出端電壓較高，D 1 截止。當(dāng)輸入信號電壓接近IC 1 的同相端時(shí)，IC 1 的輸出逐漸降低，隨之，D 1 逐漸導(dǎo)通，V 4 逐漸增大，直到 V 4 接近 A點(diǎn)電壓為止。這就有效地限制了熱電偶信號迅速增加，降低了非線性。IC 2 的工作過程與此類似，不同的是B點(diǎn)電位比A點(diǎn)高。當(dāng)輸入電壓在A點(diǎn)電壓以下時(shí)，D 2 截止，IC 2 不工作；只有當(dāng)輸入電壓高于A點(diǎn)電壓或接近B點(diǎn)電壓時(shí)IC 2 才工作。工作過程與IC 1 相同。所用折線的段數(shù)是根據(jù)精度要求決定的。對于熱電偶信號處理來說，有三段就可以使精度達(dá)到 0.5% 以上。

5 熱電偶測溫中的放大技術(shù)

AD8494/AD8496/AD8497 熱電偶放大器為熱電偶溫度測量提供了有效可行的放大技術(shù)。這些放大器解決了熱電偶測量的許多困難。集成溫度傳感器執(zhí)行冷結(jié)補(bǔ)償。固定增益儀表放大器放大熱電偶的小電壓，以提供 5mV/℃輸出。顯示了基準(zhǔn)結(jié)上 0℃和 50℃各種組合的 J 型熱電偶電壓示例和 AD8494 放大熱電偶電壓并補(bǔ)償基準(zhǔn)結(jié)溫變化，從而消除誤差的性能。

6 結(jié)語

綜上所述，用熱電偶作溫度測量時(shí)，必須解決好線性補(bǔ)償和數(shù)據(jù)放大問題。第一，針對若干被測點(diǎn)作經(jīng)常性反復(fù)測量時(shí)不容易使參考點(diǎn)的溫度保在 0℃的問題，可通過對參考點(diǎn)可能的溫度變化作出自動(dòng)補(bǔ)償從而使問題簡單化。第二，針對在用熱電偶作高靈敏度溫度測量時(shí)如何把微弱的直流電壓信號進(jìn)行放大的問題，可通過先將直流電壓調(diào)制成交流信號，經(jīng)放大后再解調(diào)還原成直流，并通過AD8494/AD8496/AD8497 熱電偶放大器對電流信號進(jìn)行放大來解決?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，熱電偶測溫的精度會(huì)得到更大的提高。