1 引言
热电偶作为测温元件,其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高,可就地测量和远传。在工作时,只要与显示仪表配合即可测量气体、液体、固体的温度。热电偶可以用来测量-200～1600℃范围内的温度,有些热电偶甚至可测2000℃以上温度。所以热电偶是使用最广泛的测温元件之一。
但是只有在热电偶参考端(冷端)温度不变的条件下,其热电势才与工作端温度成单值函数关系。各种热电偶的分度表均是以冷端温度为0℃时作出的。在实际应用过程中,热电偶冷端离被测设备较近,且处于空气中,很难保持不变,更不用说保持0℃,因而引入了测量误差。为了消除此误差,必须进行补偿。热电偶冷端温度补偿常用方法有计算修正法、冷端恒温法、补偿导线法及补偿桥路法。随着电子技术的发展,补偿桥路法得到越来越广泛的应用。本文即在总结以往补偿桥路法的特点基础上,提出了一种方便可行、成本低的新型补偿桥路。
2 常用冷端温度补偿桥路
2.1 以铜电阻为感温元件的补偿桥路
以铜电阻为感温元件的补偿桥路如图1所示,其中R1=R2=R3用锰铜绕制,其电阻不随环境温度变化,R4用铜丝绕制,其阻值随环境温度变化。补偿桥路通过补偿导线与测温热电偶连接。当冷端温度为20℃时,使R4=R1=R2=R3,R5为供配用不同热电偶时调整桥路的供电电压之用。当冷端温度等于20℃时,R1=R2=R3=R4,桥路平衡,a、b两端没有电压输出。当冷端温度不等于20℃时,a、b两端就会有一个不平衡电压输出。使该不平衡电压等于
2.2 以二极管为感温元件的补偿桥路
由半导体物理可知,二极管的特性对温度很敏感。当通过晶体管PN结的电流恒定时,PN结的正向电压VD将随环境温度发生线性变化〔1〕。在室温附近,温度每升高1℃,正向电压减小2～2.5mV。利用此特性可将二极管用在热电偶温度补偿中,作为感温元件使用。补偿桥路如图2所示,其中R1=R4,R2=R3,R5用于零点调整。
3 新型补偿桥路
3.1 以往补偿桥路存在的问题
使用以往的补偿桥路进行热电偶冷端温度补偿均需将热电偶冷端通过补偿导线延伸到测量仪表的接线端子上。由补偿导线引入了误差(GB4989—85)。测量仪表补偿经补偿导线延伸后的冷端温度,但也将引入1～3℃的误差。测量成本与所需补偿导线的长度有较大关系,距离越长时,费用越高。随着电子技术的发展,出现了一体化温度变送器。一体化温度变送器直接安装于热电偶的接线盒内。采用24 V D C供电,信号输出为4～20 mA D C。采用二线制连接,导线为普通导线,可节约补偿导线的费用。变送器允许工作温度为0～65℃或0～85℃,较难满足更高温度场合的需要,而且变送器内的各测量电路都存在一定的温度系数。隔离式变送器价格较高,导致总体测温成本较高〔2〕。
3.2 新型补偿桥路
新型补偿桥路采用分体安装方式,感温元件(铜电阻)装置于热电偶的接线盒中,而桥路的其它部分装置于后续测量仪表中。其原理电路如图3所示。其中Rt为铜电阻,感受热电偶冷端温度变化。R1、R2、R3为低温度系数金属膜电阻,RP(即R4+R5)为多圈金属膜电位器。令平衡点温度时R1+Rt=R2+R3+RP。在选取R1、R2时,使R1=R2,且阻值在几十千欧到几兆欧之间。
3.2.1 工作原理分析
首先分析热电偶所在支路。
为了克服引线电阻不平衡及热电偶电阻所带来的影响,应保证Rt远大于引线电阻,并远远大于热电偶电阻。
另一支路用于调整测温零点。选取电阻时,使R2略小于R1,R3小于Rt。设测温零点为tZ,则应使
3.2.2 引线及热电偶电阻对测量的影响
关于引线及热电偶电阻对测量结果的影响,分析如下。设感温元件铜电阻所在支路电流为I1,另一支路电流为I2,则有:
路引线电阻变化量不等时,其差值等效为冷端测温元件铜电阻的阻值变化,会引起测量误差。但因引线电阻一般仅为几欧数量级,且采用三线制接法,其变化量差值较小,不会引起太大误差。热电偶偶丝电阻的变化等效为冷端测温元件铜电阻的阻值变化,会引起测量误差。但因热电偶偶丝电阻较小,其变化量较小,不会成为主要误差源。
4 实验结果及分析
以镍铬—镍硅热电偶为实验热电偶进行冷端温度补偿实验。实验条件为:(1)热电偶热端温度控制为615℃;(2)供桥电压为5V D C(由LM399提供);(3)测温零点0℃;(4)RCu=269Ω。表1中电势测量数据单位为mV。
从实验结果可以看出,采用新的补偿桥路后,实现了热电偶冷端温度补偿,且补偿效果较好。在热端及冷端温度稳定的条件下,改变引线电阻值,测量Vab,数据如表2、3所示。阻值不改变的引线电阻均为7.0Ω。
由表2可以看出,引线电阻同时变化时,对测量结果的影响可忽略不计。而在实际应用中,因采用三线制接法,引线电阻主要发生此类变化。由表3可以看出,桥路两支路上引线电阻变化不一致时,会引起测量误差。此时引线电阻变化差值相当于冷端测温铜电阻的变化。当铜电阻阻值较大(百欧量级)时,此误差不会太大。
5 结束语
本文所提出的新型补偿桥路具有电路简单、实现方便、成本低之优点。通过实验表明,该补偿桥路可较好地实现热电偶冷端温度补偿。因而应在热电偶测温中大力推广。
参考文献
1 毕训银,热电偶参考端的几种补偿方法,仪表技术与传感器,1998.
2 胡晔,热电偶冷端补偿方法的比较,仪表技术,1997.
本文作者：李希胜 王绍纯
