對基于集成溫度傳感器的熱電偶冷端補償方法分析

胡寅 黃曉青

摘 要：集成溫度傳感器在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、監(jiān)控等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，其熱電偶冷端的工作能力則直接影響設(shè)備性能。基于此，本文以集成溫度傳感器的熱電偶冷端補償可行方法作為切入點，給予分別論述，再通過模擬實驗的方式，借助理想的計算機環(huán)境了解不同方式的優(yōu)劣勢，以期通過分析為后續(xù)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：集成溫度傳感器;熱電偶;冷端補償;零點遷移法

前言：熱電偶（thermocouple）是溫度測量儀表中常用的測溫元件，可直接進行目標對象溫度的測量，再將其轉(zhuǎn)化可識別的信息，表示測定結(jié)果，常用于集成溫度傳感器中。由于其冷端溫度可能受到環(huán)境影響，多呈現(xiàn)出波動變化的特點，傳感器的誤差無法避免，這也對熱電偶冷端補償功能提出了明確要求，需予以重視。

1.集成溫度傳感器的熱電偶冷端補償可行方法

1.1零點遷移法

零點遷移法的基本原則為，對某個固定參數(shù)值進行加大，將其默認為一個遷移后的標準值，再以該值為參照，實現(xiàn)間接熱電偶冷端補償，獲取集成溫度傳感器的工作結(jié)果。集成溫度傳感器的實際工作環(huán)境可能出現(xiàn)多種變化，冷端溫度往往不是恒定的，但電動勢EAB（TH，0）通常是一個常數(shù)，可作為一個理想的參照值，做為遷移目標。如測定目標為某設(shè)備，可借助動圈儀表對集成溫度傳感器進行輔助，將儀表常規(guī)工作狀態(tài)下的溫度作為標準值，獲取熱電動勢的默認值，此時設(shè)備的溫度測定結(jié)果應(yīng)是儀表常規(guī)工作狀態(tài)下的溫度，該溫度即默認為一個零點值（熱電偶一端的理想值），具體工作中，只有當熱端溫度T=TH時，才能使EAB（T，TH）=0，即便設(shè)備溫度的變化是多樣的，標準參考也不會受到影響，標準的溫度值始終可通過簡單的代入計算獲取[1]。

1.2補償器法

補償器法是一種利用設(shè)備自動工作的方法，利用不平衡電橋產(chǎn)生熱電勢，補償熱電偶因冷端溫度變化出現(xiàn)的誤差。該方法的基本原理也較為簡單，強調(diào)溫度測定目標變化的規(guī)律性，以大量的數(shù)據(jù)信息以基礎(chǔ)，設(shè)備反復(fù)、固定的默認補償機制。如溫度測試對象為變壓器，該變壓器自正常工作狀態(tài)下，溫度的變化必然呈現(xiàn)為一個數(shù)集的形式，以A表示變壓器的額度溫度，該數(shù)集可表現(xiàn)為：

A=[An……A-2;A-1;A;A1;A2……An]

數(shù)集中，n表示收集所獲的樣本數(shù)目，將n個樣本中的最大值、最小值和A的差值作為參考，可以獲取集成溫度傳感器熱電偶冷端補償?shù)姆秶?，之后將對?yīng)數(shù)值輸入到計算機中，對集成溫度傳感器進行智能控制。無論熱電偶冷端的實際溫度出現(xiàn)何種變化，只要其處于n個樣本的范圍內(nèi)，就能被計算機識別，并進行自動化補償，保持溫度監(jiān)測結(jié)果的準確性[2]。

1.3補正系數(shù)法

補正系數(shù)法，是選取一個變化系數(shù)k，以k對實測溫度值進行補償，獲取接近標準值的測定結(jié)果。以TH表達集成溫度傳感器熱電偶冷端的實際溫度，代入到EAB（T，TH）查分度表的實際溫度處，生成測定的溫度初步結(jié)果T，再將k代入目標對象的測定結(jié)果中進行計算，獲取最終結(jié)果，其計算公式為：

T= T′+ k×TH

在該公式中，T不是一個常數(shù)（極少情況下可重復(fù)），T′作為室溫下熱電偶電勢與分度表上對應(yīng)的某個溫度，也是一個可變參數(shù)，TH為集成溫度傳感器熱電偶冷端的實際溫度，帶有動態(tài)變化特征，只有k是固定值。實際工作中，可選取某一個節(jié)點下T、T′、k、TH的真實數(shù)值進行計算，獲取較為準確的溫度測定結(jié)果。如某對象測得冷端溫度為35℃，同一時間節(jié)點下。熱電動勢為11.348mV、T′=1150℃，k值固定為0.3，則對象實際溫度為：

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）

補正系數(shù)法原理簡單，但誤差相對較大，因此不宜應(yīng)用于精度要求高、動態(tài)變化特別頻繁的監(jiān)測對象處。

2.模擬分析

2.1模擬對象和方法

以某鍋爐作為監(jiān)測對象，收集其集成溫度傳感器的現(xiàn)有工作資料以及鍋爐自身工作資料，生成信息化模型，應(yīng)用計算機進行模擬實驗。實驗方法為參數(shù)調(diào)整法，不斷應(yīng)用計算機更改鍋爐工作環(huán)境的溫度值，分析零點遷移法、補償器法、補正系數(shù)法捕捉信息的精確性。以反復(fù)實驗的方式，了解單一技術(shù)方法下歷次溫度值的均差，與當前該鍋爐系統(tǒng)中集成溫度傳感器的工作結(jié)果進行對照，了解不同技術(shù)的優(yōu)劣勢。

2.2模擬過程和結(jié)果

模擬實驗分為四組，即原始組、零點遷移組、補償組和補正系數(shù)組。每組實驗進行100次。收集每一次模擬的結(jié)果，篩選最大值、最小值、平均值以及100次實驗結(jié)果的均差，所獲結(jié)果如表1所示：

從結(jié)果上看，零點遷移法、補償器法、補正系數(shù)法都提升了集成溫度傳感器熱電偶冷端補償能力，零點遷移組的測定溫度的最大值和最小值差異略大，但均差最小，補償組的均差略大，但測定最大值和最小值的波動最小，補正系數(shù)的價值介于原始組和其他兩組之間，不過其原理最為簡單，適用性較為理想。

總結(jié)：綜上，集成溫度傳感器的熱電偶冷端補償，是保證設(shè)備工作性能的重要措施，具體方法包括零點遷移法、補償器法、補正系數(shù)法等。不同方式的原理和工作方式存在差異。經(jīng)模擬分析，補償器法波動較小，零點遷移法工作穩(wěn)定性最理想，補正系數(shù)法的可操作性最強，模擬結(jié)果均比較理想，后續(xù)工作中可酌情選用。

參考文獻：

[1]丁炯，唐宵，楊遂軍，等.基于小型爆燃發(fā)生裝置的溫度傳感器動態(tài)特性標定[J].傳感技術(shù)學報，2018，31（02）：195-201.

[2]劉浩，趙化業(yè)，王文革，等.熱電偶溫度傳感器響應(yīng)時間測試及分析[J].宇航計測技術(shù)，2017，37（06）：48-52.