摘 要 为了更准确地对高准确度、多功能、智能化的测温仪表进行计量检测，提出微机补偿法对直流电压测量准确度和冷端补偿的准确度进行计量，以评定多功能、智能化的测温仪表的准确度。
随着科学技术的不断发展，人们的安全意识不断增强，各单位对设备的要求越来越趋于智能化、一体化，对各种仪表精度的要求也越来越高。因此计量部门在检定仪表的过程中，应尽量降低不确定度，检测过程也应该向智能化靠近。由于传统的热电偶检定存在冷端补偿问题，一般补偿方法不确定度比较大，急需改进，笔者提出了一种智能补偿方法———微机补偿，以更准确地对高准确度、多功能和智能化的测温仪表进行计量检测。
1 热电偶测温原理*
热电偶是一种接触式测温传感器，它与相应的温度指示仪表配合使用，可以准确地测量、控制、调节被测物体的温度，具有性能稳定、结构简单、使用方便、经济耐用、体小以及容易维护等优点[1]。通过热电偶将温度信号转换成电信号，便于信号的远传，实现多点切换测量，因此在工业生产和科学研究领域中得到了广泛地应用[2]。
热电偶测温原理是基于金属导体的热电效应，热电效应产生的电势是由两种不同效应引起的，即帕尔帖( Peltier) 效应和汤姆逊( Thomson) 效应。
帕尔帖效应是当两种金属连结在一起时，由于不同导体内自由电子的密度不同，在结点处会发生电子扩散，电子密度大的金属其自由电子会向电子密度小的导体扩散，此时电子密度大的金属由于失去电子而带正电，相反电子密度小的金属由于获得了扩散来的多余电子而带负电，这种扩散一直到达到动态平衡为止。此时，将具有一定的稳定的接触电势，该接触电势除了与材料的性质有关外，还与结点温度有关，接触电势( 帕尔帖电势) 为:
单一均质导体在不同温度下，自由电子具有不同的动能。温度高时动能大，动能大的电子就会向温度低的一端跑去，所以在同一导体内，当两端温度不同时，两端也会产生一定大小的电位差( 汤姆逊电势) ，此现象称为汤姆逊效应。该温差电势可表示为:
因此，热电偶实际反应的是偶丝两端，即测量端( 工作端) 与冷端( 参考端) 的温度差。在实际测量中，不仅要测量热电偶由于温差产生的热电势，而且必须知道热电偶冷端的温度，这样才能最终测出热电偶测量端的温度。
2 传统冷端补偿方法及其存在的问题
热电偶的测温标定是在冷端温度 t =0℃时标定的，但实际环境温度并非 0℃。为了消除冷端温度带来的误差，以往主要采用两种冷端温度补偿法: 一种是冰点法，将热电偶冷端放入冰水混合物或零度恒温器中，这样热电偶冷端的温度就是0℃ ，该方法的优点是误差小，在大部分情况下，误差可忽略不计，缺点是冰水混合物制作麻烦，不仅要进行初期制作，时间长了还要进行维护，对冰水混合物进行补充、更换，而 0℃恒温器一般容量有限( 受热电偶直径的限制) ，最多只能放 5、6 支热电偶，而且热电偶冷端还必须另外将铜导线接入温度指示仪表，因此一般只在实验室中采用这种方法; 另一种是冷端补偿法，将热电偶冷端直接接入测量仪表，测量热电偶冷端的温度，根据冷端温度值换算成一定的热电势值加入到测量数据中，从而得到热电偶测量端的温度值，该方法的优点是简便，热电偶直接进测量仪表，没有中间环节，不需任何附加设备，用数据采集系统可以进行大批量的数据测量，缺点在于测量热电偶冷端温度时存在一定的误差，对现有的大部分仪表来说误差较大，因此在工厂现场和一些测量准确度要求不高的场合，大都采用这种方法。
目前的这两种补偿方法对于那些准确度不高、功能单一的仪表来说并无不妥，这也反映了仪表实际使用中的误差，但就目前的高准确度、多功能、智能化的测温仪表( 主要是一些较先进的进口仪表) 来说，便会有矛盾产生，具体表现在以下几方面:
a. 标准器中包含冰点器和补偿导线，而补偿导线的误差很大，特别是在中温区( - 100 ～300℃ ) 误差有时接近、甚至超过仪表的基本误差，如 0 ～ 100℃ 时，0. 5 级的仪表，基本误差为0. 5℃ ，而在正常情况下，补偿导线的误差远大于0. 5℃ 。由于补偿导线的误差很大，几乎就是整个标准装置的误差，因而无论配备再好的信号源，整个标准的不确定度也无法得到有效提高，因此也无法对高准确度的测温仪表进行检定。
b. 有些仪表具有多路数据采集的功能，按传统的做法，必须对每一路分别进行检测，这样工作量就非常大。而实际上各路都是采用同一个电压测量系统，各路之间的差异仅在于冷端补偿( 扫描引起的接触电势误差是采集器所特有的，应另定检测方法予以检定) ，但由于各路冷端分布不均匀，用一个传感器测量多路冷端就会产生测量误差，若采用每路各用一个传感器也会因传感器不同而产生误差。
c. 几乎所有的智能化仪表都可以配各种分度号的热电偶，按传统的方法必须对每一分度号热电偶进行检测，这不仅在实际工作中由于工作量巨大很难做到，而且在技术上也没这个必要，因为不管什么分度号的热电偶，其温度测量都是由直流电压测量和冷端补偿组成的。
d. 多功能、智能化的测温仪表其直流电压、电阻准确度都很高，配用的铂电阻测温准确度也很高，可热电偶测温准确度不高，这主要是由于冷端补偿准确度不高，因此配热电偶的温度基本误差的检定实际上就是冷端补偿误差的检定。
3 冷端温度智能补偿方法的目的及意义
这里提出的冷端温度智能补偿方法就是利用微机对热电偶冷端温度进行补偿。微机补偿不但方便灵活、电路简单，而且解决了传统补偿方法遇到的困难。微机补偿使检定结果的精度大大提高，并且环境温度的变化对其也没有任何影响，随时可以完全补偿。热电偶测温原理如图 1 所示。
为了使冷端恒温槽的温度保持在 0℃，一般将热电偶的冷端放在盛满绝缘油的试管中，然后再将其放入盛满冰水混合物的保温容器中。则热电偶所产生的热电势为:
4 微机补偿算法
除了传统的两种补偿方法以外，还有热电阻补偿、电桥法补偿、PN 结温度传感器补偿和集成温度传感器补偿[3]，但这些补偿方法在冷端的环境温度较高时都会有较大的误差，为了克服这一不足，在要求测量精度较高时，可用微机来计算得出较精确的测量温度[4]。很多控制系统和智能仪表都已使用微机( 单片机) 作为系统的核心，在设计温度控制系统或温度检测的智能仪表时将这部分补偿算法程序加进去。这样，不用增加很多硬件投资就可以使温度检测精度大大提高。而且，即 使 环 境 温 度 改 变，也 可 以 实 现 完 全 补偿[5 ～7]。微机控制或检测系统中温度检测部分的模块框图如图 2 所示。
笔者用到的单片机是 LM335 精密集成温度传感器。LM335 系列是美国国家半导体公司( NSC) 生产的高精度、易校准的单片集成温度传感器，它具有类似于齐纳稳压管的特性，反向击穿电压与热力学温度成正比。该系列产品不仅可以精确地测量温度，还能构成热电偶冷端温度补偿电路和镍镉电池快速充电器的过热保护电路。
LM335 有以下几个主要性能特性: 属于电压输出式精密集成温度传感器，其电压温度系数为+ 10mV / K，输出电压与热力学温度成正比; 测温精度高、范围宽( - 40 ～ 100℃) ; 动态阻抗低，当工作电流为0. 4 ～5. 0mA 时，其动态阻抗仅为0. 5～ 0. 6Ω; 价格低，易校准，在实验室里 LM335 安装在仪表控制室内，热电偶用补偿导线将冷端延伸到仪表控制室内，LM335 最好放在充满绝缘油的容器里。
4. 1 电路各模块的功能
多路器由微机控制，可分别接通，测量出热电偶的输出值和集成温度传感器 LM335 的输出值，信号调整电路将热电偶和 LM335 输出的毫伏级信号放大到 0 ～5V，以满足 A/D 变换器对输入信号电源的要求。因此该模块实际上应该由具有自稳定性能的运算放大器组成( 如 ICL7650) 。放大倍数的选择可针对不同的热电偶取不同的值，只要改变运放的反馈电阻即可。A/D 变换器可根据对测量精度的要求选取 8 位、10 位或 12 位的A / D 变换器。对于要求精度很高而采样速率又较低的情况，也可以选用 V/F 变换器代替 A/D 变换器，因为 V/F 变换器的输出是一串脉冲，其重复频率与输入电压成正比。微机可以在一个时间周期内计数 V/F 变换器输出的脉冲数目，所定的时间周期越长，精度越高，但系统的响应速度变 慢，因此要两者兼并。热电偶的温度与热电势关系曲线是非线性的( 图 3) 。
4. 2 微机控制测量过程
微机控制测量过程如下:
a. 微机发指令选热电偶通道，读取热电偶的热电势 E';
b. 微 机 发 指 令 选 择 LM335 通 道，读 取LM335 输出的电压值 Va= V1;
c. 根据 V1查表得出对应的冷端环境温度T1，并由此得出热电势 E1;
d. 计算 E = E' + E1;
e. 查表，由 E 得到对应的温度 T。
图 4、5 中的值均是将 E( T，0) 曲线分段后查出的，图 4 一般分为 3 ～5 段，图 5 一般分为十几段即可。微机中有关测量部分的程序流程如图 6所示。
5 结束语
对于目前多功能、智能化的热电偶仪表来说，热电势与温度的转换完全可以固化在其微处理芯片中，这样转换不会产生任何附加的误差。温度指示不确定度实际有两部分: 直流电压测量不确定度与冷端补偿的不确定度。对于多路采集功能的测温仪表，只要检测各路冷端补偿的确定度再与直流电压不确定度合成后，便可得到各路测温的不确定度，而对于配各种分度号的热电偶的测温仪表，只要检测各分度号热电偶的冷端补偿，同样再与直流电压不确定度合成后，就可以得到各路测温的不确定度。
参 考 文 献
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