多種熱電偶測溫方式對比研究分析

施吉 王春意 包志為

摘 要：核反應(yīng)堆研發(fā)相關(guān)熱工水力與安全實(shí)驗(yàn)多采用熱電偶進(jìn)行溫度測量，要獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)值，還需要進(jìn)行冷端補(bǔ)償，并通過一定的硬件將熱電偶的mV電動勢信號轉(zhuǎn)化為具體的溫度值；該研究的目的是探索采用4種溫度測量方式對標(biāo)準(zhǔn)溫度源和冰點(diǎn)進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)，并對測量結(jié)果進(jìn)行分析比較，找到不同測量方式的優(yōu)缺點(diǎn)以搭配出在不同場合環(huán)境下適宜的測量方案。

關(guān)鍵詞：熱電偶測溫；冷端補(bǔ)償；測量

中圖分類號：TH811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 4種溫度測量方法

1.1 PXIe板載電阻測量

使用PXIe-4353采集是常見的 PXIe板載電阻測量方法。簡易原理流程如下：

熱電偶→接線盒熱敏電阻冷端補(bǔ)償→PXIe溫度采集卡

通過查詢NI手冊可知，冷端補(bǔ)償誤差最大可達(dá)到0.5 ℃，綜合測量誤差在100 ℃（T型熱電偶）環(huán)境下，達(dá)到0.69 ℃；100 ℃（N型熱電偶）達(dá)到0.78 ℃。

1.2 冰點(diǎn)補(bǔ)償

使用冰點(diǎn)補(bǔ)償進(jìn)行溫度采集，仍需要利用PXIe-4353的AD轉(zhuǎn)換模塊。簡易原理流程如下。

熱電偶→冰水混合物做冷端→PXIe溫度采集卡

冰點(diǎn)補(bǔ)償方式誤差集中在2個部分，冰點(diǎn)的誤差及AD的誤差，冰點(diǎn)溫度無法保證在絕對零度，實(shí)際測量溫度在0.2 ℃左右，由于PXIe-4353未給出具體的A/D誤差參數(shù)表，將A/D誤差簡單地理解為綜合誤差減去零點(diǎn)誤差，即綜合測量誤差在100 ℃（T型熱電偶）環(huán)境下，達(dá)到0.39 ℃；在100 ℃（N型熱電偶）達(dá)到0.48 ℃。

1.3 SCXI溫度采集卡測量

SCXI溫度采集卡測量采集方式采用PXI-6255等M系列采集卡采集，SCXI系列信號處理設(shè)備進(jìn)行冷端補(bǔ)償、信號轉(zhuǎn)換。簡易原理流程如下：熱電偶→SCXI做冷端及信號轉(zhuǎn)換→M系列電壓采集卡冷端補(bǔ)償模塊SCXI-1328冷端補(bǔ)償精度最大0.9 ℃；信號處理模塊SCXI-1125，不考慮零點(diǎn)漂移（實(shí)時(shí)進(jìn)行自校準(zhǔn)），最大誤差取55.725 uV；N型、T型熱電偶均為40 uV/℃左右的誤差，引入約1.3 ℃誤差；M系列數(shù)據(jù)采集卡只用于A/D轉(zhuǎn)換，不涉及溫度變換，因此只需考慮其分辨率偏差，對比上述冷端補(bǔ)償精度及誤差，可忽略不計(jì)。SCXI溫度采集卡測量，將引入最大2.2 ℃誤差。

1.4 溫度變送器測量

使用溫度變送器進(jìn)行冷端補(bǔ)償，并將mV信號轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，使用PXI-6255等電壓采集卡進(jìn)行采集。簡易原理圖如下。

熱電偶→隔離模塊轉(zhuǎn)換為1-5V→M系列電壓采集卡

選用菲尼克斯的溫度變送模塊，參考其產(chǎn)品手冊，隔離模塊電壓轉(zhuǎn)換有0.1 %×600 K的誤差，假定為0.6 ℃，冷端補(bǔ)償誤差為2 ℃；使用M系列數(shù)據(jù)采集卡（如PXI-6255）采集，采集誤差最大在1 mV左右，轉(zhuǎn)為溫度即0.125 ℃；最大誤差為2.725 ℃。綜合以上可得表1。

在考慮在最惡劣的環(huán)境下，100 ℃溫度測量時(shí)的最大誤差，實(shí)際測量精度會優(yōu)于表1。

2 實(shí)驗(yàn)測試

標(biāo)準(zhǔn)溫度源：采用恒溫水槽，設(shè)定溫度60 ℃，恒溫水槽經(jīng)過標(biāo)定，精度為±0.01 ℃；再使用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻作為測量對比，精度為±0.02 ℃；冰點(diǎn)：使用冰水混合物，用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測量零點(diǎn)溫度；熱電偶：使用標(biāo)定過的N/T型兩類熱電偶；測量方式：采用冰點(diǎn)測量、PXIe4353板載熱敏電阻補(bǔ)償測量、SCXI板載熱敏電阻測量、溫度變送器（隔離模塊）轉(zhuǎn)換溫度測量4種測量方式進(jìn)行測量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（圖1、表2）

4 結(jié)果分析

T型熱電偶測量，采用冰點(diǎn)補(bǔ)償精度最高，最接近實(shí)際溫度；

N型熱電偶測量采用冰點(diǎn)補(bǔ)償，測量誤差不如板載熱敏電阻測量；是由于N型熱電偶在低溫環(huán)境下精度較低，板載熱敏電阻的誤差與熱電偶本身誤差互相抵消一部分導(dǎo)致的。

隔離模塊（溫度變送器）測溫，波動較大，精度也不高。

采用SCXI或者PXIe 直接采集，誤差差距不大；在室溫控制較好的情況下，與冰點(diǎn)補(bǔ)償精度差距不大。

5 優(yōu)劣對比（見表3）

6 結(jié)語

該文針對多種溫度測量方式對標(biāo)準(zhǔn)溫度源和冰點(diǎn)進(jìn)行測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，對于溫度測量要求極高的測量場合，建議采用冰點(diǎn)補(bǔ)償；對于要求精度不高，不帶電測量時(shí)，建議采用PXIe自帶熱敏電阻測量；對于要求通道間隔離的場合，建議使用SCXI設(shè)備采集；對于隔離模塊溫度采集，可用于對精度要求不高、對響應(yīng)時(shí)間要求不高的場合。該文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果亦可為其他溫度測量研究提供理論分析依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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