1 通用热电偶冷端补偿方法

1.1 电桥补偿法的原理

如图1所示，其中R1，R2，R3的阻值相等，用温度系数近似为零的锰铜制造，即其阻值不随温度的变化而变化，而Rt用热电阻PT1000，其与热电偶冷端处于同一温度场中，其阻值随温度变化而变化，温度升高，阻值增加当冷端温度为零时R1=R3=R2=R1，可使得电桥的输出为零，若冷端温度升高，会使得热电偶的热电势减小而带来测量误差，但此时PT1000的阻值也会随温度升高而增加，则补偿电桥失去平衡，输出值不为零，电桥输出量的变化值与热电偶热电势变化量相等，且二者变化方向相反，则二者相互抵消使总输出量的大小不随冷端温度的变化而变化。

1.2 实验数据记录

实验过程中用毫伏电压发生器模拟K型热电偶热电势，在电路板上完成A/D转换后，通过MCU上传上位机，由上位机将A/D值换算为温度并显示。实验结果如表1所示。

这种方法对R1，R2，R3的精度要求很高，且V+的噪声，温漂要小，稳定性要高，为达到实验要求需要使电桥电流为一个合适值，调试难度高。在进行多路测量时，需要布置多路装置，结构较为复杂。

2 热电偶冷端补偿的新方法

2.1 原理

该方法由PT1000测量冷端温度，通过A/D转换后，由MCU传给上位机将电阻值通过软件换算成电压值加到热电偶的电压上再通过补偿块消除冷端温度变化带来的影响，从而进行补偿。

2.2 补偿块的设计

此方法进行冷端补偿的主要装置是一块导热性能良好的铝块，其结构如图2所示。

在长方体铝块的横向中轴线上依次等距打出3个通孔，并沿横向中轴线切开。在之后的接线过程中将两根补偿导线压如左右两个通孔，中间的通孔压入热电阻PT1000。在压入过程中为保证热传导的均匀性，热电阻和补偿导线的直径要一致且与补偿块充分接触，绝缘材料要相同。

2.3 补偿电路设计

如图3所示，热电偶通过补偿导线接到仪表箱内的补偿块之后再通过Cu导线连接箱内电路板。补偿块与热电偶冷端处于仪表箱内。PT1000用于测量仪表箱内温度To，Tc是仪表箱外的环境温度。

由于程序设计要求，在未接补偿电路时上位机显示温度T1为A处的实际温度Tr加上箱内的温度Tb，即T1=Tr+Tb。仪表在实际使用当中温度箱内温度会产生变化要避免箱内温度的变化对实际测量温度的影响，设计接入补偿电路。

当仪表箱内温度升高，会使上位机显示温度T1随箱内温度升高，在加入补偿电路后，补偿块在箱内受热均匀，补偿导线两端与PT1000处于同一温度场中，补偿导线产生的电压可以抵消掉冷端温度变化带来的影响，保证了测量值不受箱内温度变化的影响，只与箱外环境温度Tc有关，即T1=Tr+Tc。

2.4 实验数据记录

实验过程与电桥法实验过程类似，用毫伏电压发生器模拟K型热电偶热电势，在电路板上完成A/D转换后，通过MCU上传上位机，由上位机将A/D值换算为温度并显示。实验结果如表2所示。

从上表可看出，该补偿方法具有较高的准确度，误差在1℃以内且线性度好，在进行多路测量时只需在补偿块上多加几组通孔即可，结构简单可满足工业应用需求。

3 补偿块法与电桥法的数据对比分析

根据表1和表2中的数据，文中以输入电压为横坐标，误差值为纵坐标分别做出两种方法在不同温度下的误差曲线，如图4和图5所示。

图5中曲线可看出，电桥法的线性度较差，由于热电偶的输入输出特性和补偿电桥的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两条曲线相交点对应的冷端温度下能完全补偿即无补偿误差，其他冷端温度下只能部分补偿，存在补偿误差。在实际使用当中需要使用更复杂的电路来减少由于非线性所产生的误差。

从图4补偿块法的4条曲线可看出，其最大误差不超过1℃且线性较好，能更准确地达到测量要求。

4 结束语

本文所述基于热电偶的测温仪表冷端补偿方法电路简单、稳定、噪声小，且线性度好。其在进行多路测量时只需在补偿块上多打几个通孔将补偿导线压入其中即可，在控制成本的前提下保证了测量的精度，达到了技术指标。

热电偶，是温度仪表中的一类，并且温度仪表广泛应用于工业生产过程的温度测量，根据它们的用途和安装位置不同，具有多种结构形式。但其通常都由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒等主要部分组成。那么，接下来我们就来说说温度仪表之热电偶的组成部分

热电极：热电极作为测温敏感元件，是热电偶温度传感器的核心部分，其测量端通常采用焊接方式构成。焊点的形式常用的有点焊、对焊和绞状点焊(麻花状)等，焊接质量好坏将影响测温的可靠性，因此要求焊接牢固、有金属光泽、表面圆滑、无沾污变质、夹渣和裂纹等。为减小传热误差和动态响应误差，焊点尺寸应尽量小，通常为2倍热电极直径。

绝缘套管：两热电极之间要求有良好的绝缘，绝缘套管用于防止两根热电极短路。名类绝缘材料都有自己的局限性，要根据测温范围和绝缘材料特性选定。常用绝缘材料。为使用方便，常将绝缘材料制成圆形或椭圆形管状绝缘套管，其结构形式通常为单孔、双孔、四孔以及其他规格。

保护管：为延长热电偶的使用寿命，使之免受化学和机械损伤，通常将热电极(含绝缘套管)装入保护管内，起到保护、固定和支撑热电极的作用。作为保护管的材料应有较好的气密性，不使外部介质渗透到保护管内;有足够的机械强度，抗弯抗压;物理、化学性能稳定，不产生对热电极的腐蚀;高温环境使用，耐高温和抗震性能好。常用保护管的材料及其适用温度见表2—7，保护管选用一般根据测温范围、加热区长度、环境气氛以及测温滞后要求等条件决定。

接线盒：热电偶的接线盒用来固定接线座和连接外接导线，起着保护热电极免受外界侵蚀和外接导线与接线柱可以良好接触的作用，与热电极、绝缘套管和接线座组成热电偶的感温元件，如图227所示。一般制成通用性部件，可以装在不同的保护管和接线盒中。

接线座作为热电偶感温元件和热电偶接线盒的连接件，将感温元件固定在接线盒内，其材料一般使用耐火陶瓷。

接线盒般由铝合金制成，根据被测介质温度对象和现场环境条件要求，设计成普通防水型、防爆型等接线盒，其结构及特点见表28。接线盒与感温元件、保护偶产品，即形成相应类型的热电偶温度传感器。

在温度出现阶跃变化时，热电偶或热电阻的输出变化至相当于该阶跃变化的某个规定百分数所需的时间，通常以τ表示。 这就是热响应时间。那么我们该如何测量热电偶的热响应时间呢?今天笔者将为大家讲述。

因为测量热电偶的热响应时间比较复杂，不同的试验条件会有不同的测量结果，这是因为它受热电偶与周围介质的换热率影响，换热率高，则热响应时间就短。为了使热电偶产品的热响应时间具有可比性，国家标准规定：热响应时间应在专用水流试验装置上进行。该装置的水流速度应保持0.4±0.05m/s，初始温度在5-45℃的范围内，温度阶跃值为40-50℃。在试验过程中，水的温度变化应不大于温度阶跃值的±1%。被试热电偶的置入深度为150mm或设计的置入深度(选其中较小值并在试验报告中注明)。由于该装置比较复杂，目前只有极少数单位有这套设备，故国家标准中规定允许生产厂与用户协商，可采用其他试验方法，但所给数据必须注明试验条件。由于B型热电偶在室温附近热电势很小，热响应时间不容易测出，因此国家标准规定可采用同规格的S型热电偶的热电极组件替换其自身的热电极组件，然后进行试验。试验时应记录热电偶的输出变化至相当于温度阶跃变化50%的时间T0.5，必要时可记录变化10%的热响应时间T0.1和变化90%的热响应时间T0.9。所记录的热响应时间，应是同一试验至少三次测试结果的平均值，每次测量结果对于平均值的偏离应在±10%以内。此外，形成温度阶跃变化所需的时间不应超过被测试热电偶的T0.5的十分之一。记录仪器或仪表的响应时间不应超过被试热电偶的T0.5的十分之一。