熱電偶檢定校準及動態補償技術

萬 利

（河鋼集團唐鋼公司信息自動化部 河北 唐山 063000）

1 引言

由于熱電偶在電力生產領域以及其他工業領域有著重要的作用，在目前的測溫系統中，熱電偶是最為常見的測溫傳感裝置。各國、各個電力生產領域對于熱電偶的測溫精度的標準越來越高，提高熱電偶的精確度也顯得尤為重要。溫度在測量的情況下一般是瞬態的，而熱電偶的熱慣性對于測溫有著較大的影響，因此出現了比較明顯的溫差現象，這種現象又叫做熱電偶的動態誤差。通過對熱電偶的動態校準以及動態補償，能夠有效地提高測零溫度的精確性，動態校準與動態補償的過程，就需要對熱電偶的動態響應特征以及傳感裝置的動態特性進行研究。在了解了熱電偶的動態響應特性之后，才能了解其工作性能指標。如果其性能指標在熱電偶的測溫系統中不符合要求時候，就需要動態補償技術的支持以及重新設計熱電偶。本文主要介紹的是大功率激光器的熱電偶動態校準體系，通過動態補償來彌補熱電偶的動態誤差，從而獲取更為準確的溫度值。

2 熱電偶及測溫原理

2.1 熱電偶的概念

熱電偶就是一種測量溫度的元件，在熱電偶的測溫過程中，通過產生的熱電勢將溫度信號傳達出來，從而獲取被測對象的實際溫度。

2.2 熱電偶的測溫原理

熱電偶的測溫原理主要是通過自身的材料決定的，熱電偶主要是依靠兩個導體或者半導體形成閉合回路，從而測量出溫度的過程。熱電偶在工作過程中，形成了熱電勢，而這種熱電勢和熱電偶兩端的溫度不同。熱電偶是有兩種導體材料組成的，把這兩種材料作為熱點及，測溫過程中，熱端就是溫度較高的一端，而溫度較低的那一端則為冷端。通常情況冷端是在恒溫的狀態下，此時熱電勢的方向以及大小與兩種導體的特性以及熱端的溫度有著直接的關系。而被測的溫度與熱電勢有著固定的函數關系，因此只需測得熱電勢的大小，進而知道了溫度的大小。熱電勢的問題還應注意以下內容：

（1） 熱電偶的導體以及兩端溫度的差異，決定著熱電勢的范圍；（2）熱電勢是材料兩端溫度形成函數的差；（3）恒溫下，冷端溫度保持一致，此時熱電勢是熱端溫度的單值函數。

2.3 熱電偶測溫的優點

熱電偶在側向溫度時與其他測溫儀器儀表相比有以下幾種優點：

（1）準確度高。一般熱電偶采用的是誤差較小的K分度熱電偶，其I級誤差在±0.4%t左右。（2）結構簡單。熱電偶的結構比較簡單，利于維護和保養，它主要由點擊、絕緣子、接線端子以經濟護套幾部分組成。（3）動態響應快。由于其結構比較簡單，而在測溫的時候相應的熱電勢產生不是太多，使得其動態響應速度比較快。（4）測溫范圍廣。運用比較廣泛的熱電偶一般測量溫度的范圍在-50～1600℃之間，而有些熱電偶最低測溫值在-269℃，最高能夠達到2800℃。

3 影響熱電偶測溫的因素

3.1 影響熱電偶準確性的因素

熱電偶可以測量任何形態下的物體溫度，所以熱電偶的運用非常廣泛，在工作過程中所形成的非線性特性，它是隨著熱電勢的增大而增大。因此在實際的測量時，影響熱電偶準確性的兩種因素是熱電偶的線性化問題的處理以及冷端溫度的補償溫度確定性問題。

3.2 影響熱電偶穩定性的因素

（1）熱電偶中某些元素在使用過程中造成熱電極的氧化與發揮；（2）熱電極在使用過程中受外力影響產生變形；（3）熱電偶在高溫使熱電極中的晶粒變大；（4）工作狀態下熱電極容易受損。

4 解決熱電偶準確性及穩定性的方法

4.1 安裝要求

（1）熱電偶的安裝位置應于地面保持垂直，盡量避免在高溫下使保護套管纏身變形（2）如果被測物體有一定的流速，應將熱電偶安裝在管道的中心位置，并與該物體的流動方向相反；（3）若管道有彎曲的地方，應將熱電偶安裝在彎曲的位置；（4）平直安裝時，其支架要用耐高溫的材料。

4.2 材料要求

（1）熱電偶的材料在感知溫度的時候，一般都會產生熱電勢以及熱電勢率，熱電勢與溫度形成線性關系的單值函數；（2）熱電偶的材料能夠適用于較廣的溫度范圍以及其他各種條件；（3）熱電偶的材料要具有教導的導電性，電阻以及熱容量要小。

4.3 定期檢查

（1）熱電偶的熱電極應沒有受損情況，且內部材料要合格均勻；（2）熱電偶的電極有無氧化、腐蝕的現象；（3）熱電偶的熱端焊接位置應牢固、光滑、無殘渣。

5 熱電偶的動態校準

本文對于熱電偶的動態校準主要是采用大功率的半導體激光器作為研究對象，利用的是大功率的半導體激光器通過發出動態的激勵信號，將單脈沖的激光光束經過聚焦后，然后再經過校準屏蔽箱的輸入窗口，被校準的熱電偶通過加溫，此時就會出現動態的反應過程，然后通過數據采集卡得出數據曲線。這時熱電偶上的形成熱擴散的現象，講這種熱擴散經過球面反射于另一個焦點的紅外探測器的位置上，紅外探測器此時就會經過數據采集卡輸出曲線情況。此時，熱電偶與紅外探測器同時測溫，紅外探測器的時間常數一般低于10μs，熱電偶的頻率響應低于紅外想探測器，所以通常情況下選擇后者的值作為標準值，來校準熱電偶的值，并根據動態存在的誤差進行動態補償。

6 動態補償

為了解決熱電偶存在溫度不準確的情況，所以采用對熱電偶的動態校準來糾正溫度，在校準時，一定要考慮到動態補償的問題。而熱電偶的動態校準又分為三個部分，它主要由被校準溫度傳感器的靜態校準和紅外探測器、被校準溫度傳感器的動態校準和紅外探測器以及瞬態下表面溫度與紅外探測器組成。在熱電偶溫度校準時，建立一個時間曲線圖。上文中提到，紅外探測器獲取的值為準確的溫度，通過熱電偶和紅外探測器的校準，建立一個動態補償模型。通過這個模型可以獲取一組函數，通過函數分析減小被校準溫度的誤差，最終實現對熱電偶的動態補償。

7 結語

由于熱電偶的優點，使其在溫度測量中被廣泛運用。對于其存在的缺點，在實際的測量溫度過程中，一定要通過系統的校準，對于細節一定要把握準確。通過了解熱電偶的原理，選擇在測量溫度時合適的熱電偶。結合實際情況，對被測物的溫度進行分析比較，通過動態校準和動態補償確定所需的實際溫度。掌握正確的校準方法，加強自身的理論知識學習，才能確保工作中不會出現問題，才會避免質量故障的發生。

[1]李文濤，徐劍維.基于FPGA的熱電偶溫度巡檢儀設計[J].傳感器世界，2017(07).

[2]馬麗，桑紅生，孟祥彬.轉爐干法除塵熱電偶數學模型的研究與應用[J].萊鋼科技，2016(03).

[3]王魁漢.真空爐專用熱電偶(下)[J].機械工人(熱加工)，2017(04).

[4]吳志宏，郝玉蘭.熱電偶溫檢系統中幾種異常現象的處理方法[J].儀表技術與傳感器，2015(07).

[5]陽露.發動機熱電偶溫度測量方法的研究[J].教練機，2015(02).