一种热电偶冷端补偿装置的研究

　　0　引　言

　　热电偶以高稳定性和高可靠性在温度的工程测量中得到了广泛应用。根据测温原理,热电偶回路热电势不仅与测量端温度有关,还与参比端温度有关,如果要通过测量回路热电势的途径确定测量端温度,就必须消除参比端(冷端)温度变化对回路热电势的影响,即进行所谓的“冷端补偿”。

　　目前,在工业生产过程检测中普遍采用补偿电桥(冷端补偿器)法,其原理简单、实时性好、成本低,所以诸如数字显示仪、热电偶温度变送器、电子电位计的冷端补偿均采用这种方法。根据文献[1]的描述,这类冷端补偿器与各型号热电偶相配时,其补偿误差由表1所示。

　　从表1所列的数据中可以看出,这种补偿方案难以达到高测量准确度。鉴于大多文献均未对这项误差进行研究。故本文从这点着手,揭示出各参比端温度点的补偿误差,从而寻找高准确度补偿方案以期达到较高的测量准确度。

　　1　传统的冷端补偿器误差分析

　　图1所示为典型的测温系统原理图。

　　t为测量端温度, t0为参比端温度, RCu为铜电阻, R1、R2、R3为固定电阻且R1=R2=R3, E为补偿器电压源, Rs为限流电阻。

　　参比端温度为t0时, R1=R2=R3=RCu(t0)电桥平衡,补偿器输出Ucd=0,热电偶测温回路电势值为EAB(t, t0);当参比端温度上升至t0′时,热电偶的输出电势为EAB(t, t0′),减少了ΔE=EAB(t0′, t0),补偿电桥中的一个桥臂电阻为铜电阻RCu与热电偶冷端处于同一温度,此时铜电阻在t0′时的阻值:

　　其中RCu(t0)为铜电阻在t0时的阻值, RCu(t0′)为铜电阻在t0′时的阻值;α称为电阻温度系数,与材料及温度有关,对铜电阻在0~100℃范围内取

　　此时的电桥失衡,如果桥路输出的不平衡电势恰好等于EAB(t0′, t0),测温回路总的电势EAB(t, t0′)+Ucd=EAB(t, t0′)+EAB(t0′, t0)=EAB(t, t0)即冷端温度变化对测温回路的总电势不产生影响,实现了冷端温度补偿。t0称为平衡温度, t0′称为完全补偿温度。改变限流电阻Rs可以调节桥路工作电流从而调节电压的输出范围以便与不同型号的热电偶相配使用。这种补偿器采用统一设计参数。

　　桥臂电阻R1=R2=R3= 1Ω, t0时铜电阻RCu(t0)= 1Ω,工作电源电压E=4V(DC), t0′时完全补偿,即Ucd=EAB(t0′, t0)。

　　根据电路原理及上述条件,求得限流电阻Rs的表达式为

　　热电偶的输入输出特性和补偿电桥的输入输出特性均是非线性特性且不重合,故在补偿范围内只有在冷端温度为t0和t0′两点能够完全补偿即无补偿误差;其他冷端温度下只能部分补偿,即存在补偿误差,如图2所示。