淺析溫度補償和冷端補償

(廣西壯族自治區計量檢測研究院 廣西 南寧 530007)

在校驗儀表中，多數數字儀表都給出了溫度補償的范圍，或者是保證準確度的溫度范圍，也有儀表給出了溫補系數。為什么要給出這樣的指標？指標有什么意義？

一、溫度計量中為何要進行溫度補償？

在工業現場的環境溫度變化的范圍大而劇烈。工作在工業現場的檢測系統、傳感器、變送器、敏感元件、電子器件等對溫度都有一定的敏感度。儀表中的傳感器的工作通過信號轉換為易傳輸與處理的電信號，但大多數傳感器的敏感元件采用金屬或半導體材料，其特性與環境溫度有著密切的聯系，受溫度變化引起的熱輸出較大。這樣就會使檢測系統的零點和和靈敏度發生變化而造成輸出值隨環境溫度而變化，導致測量出現附加誤差。繼而影響到傳感器的靜特性。雖然可以考慮采用冷卻或恒溫措施，但在不宜采用這種措施的場合，則需要采取電路硬件措施或在應用微處理的檢測系統中采用軟件進行補償，以減少或消除溫度變化帶來的影響，即必須進行溫度補償。

二、溫度補償的原理

溫度補償是利用檢測系統自身的幾個環節受溫度影響產生的變化相反而互相抵消的作用，或在檢測系統中附加一個環節、一個電路或一段程序，用它去控制檢測系統的輸出值，使之不隨環境溫度的變化而變化。為了實現有效的溫度補償，必須找出輸出值隨溫度變化的關系，既輸出對溫度的靈敏度。根據靈敏度的規律確定溫度補償的類型，從而確定補償電路的結構或程序的結構。

三、溫度補償的方式

(一)自身補償式溫度補償方式

金屬應變片的雙金線柵法實現溫補就是典型的應用。

(二)并聯式溫度補償方式

并聯式溫度補償其實質上是用補償環節隨溫度變化引起的增量法去抵消檢測系統輸出隨溫度變化所引起的增量。差動傳感器能有效地消除溫度的影響就是利用此原理。

(三)反饋式溫度補償方式

反饋式溫度補償的關健問題是零點和靈敏度人檢測和采用什么手段去控制它。此方式在工業上得到了廣泛的應用。

四、溫度的補償方法

(一)檢測系統中溫度飄移的硬件補償法

主要有三種，零點補償，靈敏度補償和綜合補償。

(二)檢測系統中溫度漂移的軟件補償法

(1)零點補償

檢測系統在零輸入信號時，包括信號輸入放大器及微機接口電路在內的整個檢測部分的輸出應為零。但由于零漂的存在，它們的確輸出不為零。微機系統可以把檢測到的零漂值存入內存中，爾后，在每次檢測中都減去這個零漂值，這就能實現零點補償。

(2)零漂自動跟蹤補償

零漂值不是一個定值，它會隨環境溫度、時間而變化，且不是線性的。在有微機參與的檢測系統中，可以借助于軟件實施零漂的自動跟蹤補償，用跟蹤到的零漂值對被測量的采集值進行修正，就可以得到滿意的結果。

(3)傳感器的溫度修正

在環境溫度變化較大或對傳感器要求較高的場合，從整個檢測系統整體進行溫度補償又不能有效地克服傳感器的溫度附加誤差，這時，需要單獨考慮環境溫度變化對傳感器零點和靈敏度的影響。在有些情況下，只采用模擬量或硬件電路是難以實現補償時，在應用微機和智能儀表或檢測系統中，只要精確地建立溫度誤差的數學模型，就可以較好地解決這一問題。

五、冷端補償

通常測量時儀表是處于室溫之下的，但由于冷端不為0℃，造成了熱電勢差減小，使測量不準，出現誤差。因此為減少誤差所做的補償措施就是冷端溫度補償。冷端補償與熱電偶相關。分度表上的標準數值是以冷端在零度為標準的，然而，測量時儀表通常是處于室溫之下的，由于冷端不為零度，造成熱電勢差減小，使測量不準，出現錯誤。若測量時，冷端(環境)的溫度變化，將影響嚴重測量的準確性。在冷端采取一定措施補償從而消除該影響稱為熱電偶的冷端補償。在儀器內部內置一個PT100的冷端補償電阻，它可以實時地測得環境溫度,從而消除環境溫度對測量結果的影響。

實際工作中，由于普通的導線存在一定的電阻，相當于閉合回路中加了一個電阻，這對測量結果的影響非常大，為消除此影響，我們需要使用冷端補償導線。由于冷端的貴金屬材料都比較昂貴，工作中一般都選用和該材料特性非常接近的相對廉價的材料進行替代，這樣就相當于冷端直接與儀表的測量電路相連，從而消除了普通導線電阻的影響。熱電偶的測溫或模擬輸出時，我們推薦使用匹配的補償導線，并根據被測熱電偶或二次儀表的特性(是否自帶溫度補償)選擇是否啟用內置的溫度補償功能。

有了溫度補償不一定能保證儀表的準確。一只儀表的好壞是由整體綜合性能決定的，除了溫度補償外，還取決于線性修正、應力老化、加工工藝和多項參數。這就要求企業自動化開發水平很高，開發出儀表綜合采集系統，通過長期的技術儲備和可靠性的試驗，高低溫應力老化和常溫老化等全方位掌握儀表中的特性，使生產出的儀表波動范圍更小，儀表準確度更高。