热电偶冷端温度补偿方法介绍热电偶冷端温度补偿方法介绍
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。
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、DATA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;
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