熱電偶測(cè)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(cè)元件之一，在溫度測(cè)量過(guò)程中，具有較高的精準(zhǔn)度。在用熱電偶測(cè)溫時(shí) ,要注意兩個(gè)方面：一是對(duì)若干被測(cè)點(diǎn)作經(jīng)常性反復(fù)測(cè)量時(shí) ,如何對(duì)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(cè)量時(shí)，如何將微弱的電流信號(hào)進(jìn)行放大。本文對(duì)熱電偶測(cè)溫中的線性補(bǔ)償與放大技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和探討。

1 引言

熱電偶作為工業(yè)上常用的測(cè)溫元件，具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)溫范圍廣、上限值大、精度高等特點(diǎn)。用熱電偶測(cè)量溫度時(shí)，需要注意二個(gè)方面的問(wèn)題：一是對(duì)若干被測(cè)點(diǎn)作經(jīng)常性反復(fù)測(cè)量時(shí)，如何對(duì)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(cè)量時(shí)，如何將微弱的電流信號(hào)進(jìn)行放大。

2 熱電偶工作原理

熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫原理熱電偶溫度計(jì)由熱電偶、電測(cè)儀表和連接導(dǎo)線組成，其測(cè)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(shì)，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(cè)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(shì)的大小和方向就只與這兩種材料的特性和測(cè)量端的溫度有關(guān)，且熱電勢(shì)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(cè)量出熱電勢(shì)的大小，再配以測(cè)量毫伏級(jí)電勢(shì)信號(hào)的儀表或變送器就實(shí)現(xiàn)了溫度的測(cè)量或溫度信號(hào)的變換。在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，將熱電偶熱端插入被測(cè)溫的設(shè)備或管道中，使其熱端感受被測(cè)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(cè)量?jī)x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(shì)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(cè)溫時(shí)，可接入測(cè)量?jī)x表，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)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(cè)溫場(chǎng)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(shì)產(chǎn)生，它是測(cè)量溫度的感溫元件，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)再由儀表顯示出來(lái)。熱電偶是利用熱電效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）工作的。偶測(cè)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(shì) E AB (t，t 0 )。熱電勢(shì)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(shì)越大，與熱電偶導(dǎo)體的長(zhǎng)度、直徑等無(wú)關(guān)。

3 熱電偶冷點(diǎn)補(bǔ)償原理

由熱電偶測(cè)溫原理可知，熱電勢(shì)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(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。因此，要準(zhǔn)確地測(cè)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(chǎng)條件下使用的儀表則難以實(shí)現(xiàn)，因此必須對(duì)其參考端進(jìn)行溫度補(bǔ)償修正，以確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

測(cè)溫的目的是測(cè)得以０℃為基準(zhǔn)的測(cè)量端即熱端溫度t，而熱電偶輸出熱電勢(shì) E AB (t，t 0 ) 反映的是相對(duì)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(shì)E AB (t，t 0 ) 對(duì)應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)分度表的溫度才是測(cè)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(cè)溫過(guò)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(cè)熱電勢(shì) E AB (t，t 0 ) 加上冷端修正熱電勢(shì)即可得到熱電偶測(cè)量端熱電勢(shì) E AB (t 0 ，0)，通過(guò)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(cè)得熱端溫度 t。這種通過(guò)修正熱電勢(shì) E AB (t 0 ，0) 或 t 0 進(jìn)而得到熱端

溫度 t 的過(guò)程即為熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償。

4 熱電偶測(cè)溫中的線性補(bǔ)償

熱電偶溫度信號(hào)非線性是比較大的，如 B 偶，從 0℃升高到 1800℃，熱電勢(shì)從 0mV 變化到 13.585mV，每100℃熱電勢(shì)增加最大的約為最小的 8 倍。B 偶的最大輸出熱電勢(shì)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(wèn)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(hào)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(duì)信號(hào)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(duì)非線性較大的信號(hào)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(hào)溫區(qū)。

該種方法的電路該電路的工作過(guò)程是：當(dāng)輸入的電壓信號(hào)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(hào)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(hào)迅速增加，降低了非線性。IC 2 的工作過(guò)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(guò)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(duì)于熱電偶信號(hào)處理來(lái)說(shuō)，有三段就可以使精度達(dá)到 0.5% 以上。

5 熱電偶測(cè)溫中的放大技術(shù)

AD8494/AD8496/AD8497 熱電偶放大器為熱電偶溫度測(cè)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(cè)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(yǔ)

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