热电偶冷端补偿改进研究

　　0 引言

　　热电偶作为一种接触式温度传感器应用非常普遍[1 -2]。

　　它具有测量精度高、响应时间快、测量范围大、性能可靠、机械强度好、使用寿命长、安装方便等优点[3]。由于热电偶测量的温差电势反映的只是相对温度，为了实现对绝对工作温度的测量，通常可采用两种方法: 一种方法是保持冷端温度为 0 ℃; 另一种方法是进行冷端补偿。由于采用第一种方法难度较大，成本高，故第二种方法采用比较多。文中对第二种方法进行了分析，针对传统冷端补偿的不足，采用了冷端测温电路与热电偶回路分离的硬件结构，利用软件方法实现冷端补偿，进而提高了温度测量精度，并给出具体实现方案。

　　1 热电偶冷端补偿及其优化基本原理

　　热电偶是利用赛贝克效应工作的，如图 1 所示，当两种不同的导体构成闭合回路时，闭合回路两端结点温度不同时( 分别为 T 和 T0) ，回路内会产生电动势 E( T，T0) 。

　　如图 2 所示，根据中间导体定律，热电偶接入测量仪表回路时，只要保证两个接线端子温度相同，其端子处所测电动势即为热电偶温差电势 E( T，T0) ，而与测量电路及热电偶接线端子材料无关。那么如何由测量所得的热电偶电动势 E( T，T0) ，得到电动势 E( T，0) 呢? 根据中间温度定律有:

　　式中: E( T，T0) 为直接测得的热电偶电动势; E( T，0) 为回路热端温度所对应电动势; E( T0，0) 为回路冷端温度所对应电动势。

　　E( T，0) 和 E( T0，0) 是可以从热电偶分度表查到的温差电动势。如图 3 所示，若在冷端引入一个温度补偿电路，使其两端温度 E'( T0) = E( T0) ，这样测量电路的净输入电压为: E = E( T，T0) + E'( T0，0) = E( T，0) ，测量电路测量到 E( T，0) 后，查取热电偶的分度表，即可得知其工作端温度。这就是热电偶测温电路采用冷端补偿的温度测量原理。

　　尽管冷端补偿可以实现对工作温度的测量，但补偿电路同时也引入了误差。式( 2) 给出了 T 型热电偶电动势与温度之间的关系式，可以看出热电偶电动势与温度关系是非线性的，须用高阶曲线拟合，而冷端补偿电路广泛采用的 AD590、二极管等元件，或者是采用 MAX6675、ADSl240、AD595 等专用冷端补偿元件[4 -6]，这些元件只能对热电偶冷端电动势进行一阶线性补偿，无法消除二阶以上的冷端补偿误差，以 T 型热电偶为例，该误差可达 1 ℃以上。另外冷端补偿电路也有本身存在的测温误差，AD590 自身温度测量误差达 0. 5 ℃，对热电偶温度测量精度影响较大。

　　因此若要减小误差，必须从两个方面入手: 一是改变冷端补偿电路结构，将冷端补偿电路与热电偶回路分离，便于采用软件算法对原始热电偶电动势进行基于式( 2) 的高阶曲线拟合，从而提高测量精度; 二是减小冷端补偿元件本身的测量误差。在图 4 中，先借助信号放大电路和 A/D 转换器测得热电偶电动势 E( T，T0) ，再采用一个独立的精度较高的冷端温度测量电路，测出冷端温度 T0，然后通过( 1) 式计算得到温度 T0所对应温差电动势 E( T0，0) ，这样就可以算得 E( T，0) = E( T，T0) +E( T0，0) ，再通过( 2) 式进行迭代运算，最终得到工作端测量温度 T. 该方案实际上采用软件方法进行冷端补偿，不但避免冷端补偿电路的二次误差，而且独立的高精度冷端补偿电路易于实现，克服了冷端补偿元件本身的误差大的缺点，从而提高了热电偶的测量精度，并简化了电路。