熱電偶傳感器溫控系統(tǒng)誤差研究

薛光輝 柴敬軒

摘要：熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統(tǒng)常用的測(cè)量部件，其冷端補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量與瞬態(tài)測(cè)溫性能是目前業(yè)界的研究熱點(diǎn)。實(shí)際生產(chǎn)中，熱電偶使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度的超調(diào)和滯后，從而產(chǎn)生溫度控制誤差，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的質(zhì)量。該文構(gòu)建基于熱電偶的溫度控制系統(tǒng)，闡述其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，研究溫控器使用及冷端補(bǔ)償對(duì)溫場(chǎng)控制系統(tǒng)的影響，分析因溫控器設(shè)置不當(dāng)、溫控器使用環(huán)境不當(dāng)、補(bǔ)償導(dǎo)線反接、補(bǔ)償導(dǎo)線用錯(cuò)所造成的誤差形式及解決辦法，通過(guò)干燥箱實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證使用K型愷裝熱電偶會(huì)使系統(tǒng)溫度控制產(chǎn)生超溫和滯后現(xiàn)象，誤差最大可達(dá)17℃，提出采用PID（proportion integration differentiation）算法改進(jìn)溫度控制系統(tǒng)的措施，為工業(yè)生產(chǎn)中的溫度控制提供借鑒。

關(guān)鍵詞：熱電偶;溫控器;控溫誤差;冷端補(bǔ)償;補(bǔ)償導(dǎo)線

中圖分類號(hào)：TG155;TH811 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）09-0100-05

收稿日期：2018-10-12;收到修改稿日期：2018-11-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）（2014CB046306）;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（2009QJ16）

作者簡(jiǎn)介：薛光輝（1977-），男，河南汝州市人，副教授，博士，主要從事礦山裝備自動(dòng)化與智能化、健康診斷研究。

0 引言

在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，系統(tǒng)的溫度控制對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要。熱電偶是工業(yè)生產(chǎn)中溫度控制系統(tǒng)常用的測(cè)量部件，對(duì)控溫系統(tǒng)的控溫準(zhǔn)確性至關(guān)重要。其冷端補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量與瞬態(tài)測(cè)溫性能是目前業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

趙靜宜[1]從熱電偶的選用與冷端補(bǔ)償進(jìn)行了研究，分析了針對(duì)不同的環(huán)境應(yīng)如何進(jìn)行冷端補(bǔ)償;張根甫[2]從熱電偶傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)熱電偶測(cè)溫存在一定的延誤量且該延誤量與時(shí)間常數(shù)有關(guān);白杰[3]等通過(guò)對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)溫度測(cè)量的模擬仿真發(fā)現(xiàn)熱電偶的保護(hù)套對(duì)其測(cè)溫準(zhǔn)確性有一定的影響;Priya Ranjan Satapathi[4]提出了一種適用于有限時(shí)間常數(shù)傳感器的時(shí)延補(bǔ)償方案;Mohammad Zeeshan[5]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱電偶信號(hào)分配技術(shù)，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng);BinZhao[6]利用2個(gè)傳感器同時(shí)對(duì)壓縮機(jī)內(nèi)氣流的瞬態(tài)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)以控制失效密封極限PV（pascalvelocity）值的穩(wěn)定，滿足極端條件下對(duì)高響應(yīng)傳感器的需要。

本文分析了工業(yè)生產(chǎn)中常用的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了溫控器的使用與熱電偶的冷端補(bǔ)償對(duì)溫度控制系統(tǒng)的控制精度和準(zhǔn)確度綜合影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了熱電偶保護(hù)愷對(duì)溫度控制的影響。

1 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中常規(guī)控制系統(tǒng)通常使用一次傳感器進(jìn)行傳感過(guò)程參數(shù)，并通過(guò)一個(gè)控制器將一次傳感器的信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大、驅(qū)動(dòng)顯示過(guò)程值，并且將實(shí)測(cè)的過(guò)程值與設(shè)定單元的工藝值進(jìn)行比較、計(jì)算偏差，比較運(yùn)算單元根據(jù)計(jì)算的偏差結(jié)果進(jìn)行PID運(yùn)算，決定控制器輸出的大小，再通過(guò)輸出單元放大驅(qū)動(dòng)向執(zhí)行元件發(fā)出控制信號(hào)。在這種控制方式下控制的質(zhì)量就會(huì)受到傳感器輸出準(zhǔn)確性和動(dòng)態(tài)性能的限制，即傳感器向控制器提供的值與實(shí)際值的接近度。

圖1為工業(yè)生產(chǎn)中常用的基于熱電偶的溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，采用熱電偶來(lái)測(cè)量溫場(chǎng)內(nèi)的過(guò)程溫度，將測(cè)量值接入到溫控器內(nèi)，中間會(huì)經(jīng)過(guò)熱電偶的冷端（一般要求冷端在某一恒定溫度內(nèi)）。通常情況下，熱電偶本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)都會(huì)存在一定的滯后和延遲，從而導(dǎo)致熱電偶的感知過(guò)程值與溫場(chǎng)的實(shí)際值之間存在一定的誤差[7-10]，除了熱電偶本身的動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后延時(shí)外，其保護(hù)愷也是其測(cè)溫滯后的關(guān)鍵影響因素。

溫控器內(nèi)部功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，是溫度控制系統(tǒng)中的主要元件，主要是完成熱電勢(shì)查表?yè)Q算出溫度值，與工藝設(shè)定溫度進(jìn)行比較、計(jì)算偏差，通過(guò)偏差，結(jié)合設(shè)定的PID參數(shù)，進(jìn)行溫控器內(nèi)部的PID運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果控制輸出信號(hào)的大小，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器或可控硅。

2 溫控器使用及冷端補(bǔ)償對(duì)溫度控制的影響

熱電偶的熱電勢(shì)是兩個(gè)接點(diǎn)（冷端、熱端）溫度的函數(shù)[11-13]。只有當(dāng)冷端溫度恒定時(shí)，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶冷端所處的環(huán)境溫度總有波動(dòng)，從而使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，必須采取正確的補(bǔ)償措施。

熱電偶冷端溫度補(bǔ)償方法主要有恒溫法、公式修整法、儀表機(jī)械零點(diǎn)調(diào)整法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、冷端補(bǔ)償電橋法[10]。目前，在各行各業(yè)普遍應(yīng)用的熱電偶傳感器測(cè)溫、控溫系統(tǒng)中，采用的冷端溫度補(bǔ)償方法都是幾種的組合應(yīng)用。如圖1、圖2所示，在國(guó)內(nèi)自控行業(yè)的分布式控制系統(tǒng)DCS（distributed controlsystem）中普遍使用的冷端溫度補(bǔ)償有：在溫控器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償電橋法和公式修正法，在溫場(chǎng)與溫控器之間使用補(bǔ)償導(dǎo)線法，在中控室內(nèi)使用恒溫法;而在只用來(lái)控制或顯示單獨(dú)溫場(chǎng)實(shí)際溫度的不組網(wǎng)分離系統(tǒng)中，沒(méi)有中控室，補(bǔ)償方法主要是在溫控器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的補(bǔ)償電橋法和公式修正法。

2.1 溫控器內(nèi)部補(bǔ)償方法的使用錯(cuò)誤

溫控器內(nèi)部的補(bǔ)償電橋法、公式修正法都是由溫控器生產(chǎn)單位來(lái)實(shí)現(xiàn)的，專業(yè)技術(shù)很強(qiáng)。溫控器給用戶提供的設(shè)定參數(shù)界面，是導(dǎo)致補(bǔ)償誤差最多的地方，常見(jiàn)的有以下幾種類型。

2.1.1 分度號(hào)不一致

溫控器內(nèi)設(shè)定的熱電偶分度號(hào)與實(shí)際使用的不一致，導(dǎo)致溫控器在執(zhí)行查表和公式修正程序時(shí)，用錯(cuò)熱電勢(shì)分度表和補(bǔ)償修正公式，使補(bǔ)償誤差越來(lái)越大。如將K型設(shè)成J型，在150℃時(shí)，K型對(duì)應(yīng)6.1383mV，反查J型毫伏對(duì)照表為116.5℃，所以在150℃時(shí)的誤差為116.5℃-150℃=-33.5℃。

2.1.2 誤差修正值設(shè)定錯(cuò)誤

溫控器提供給用戶的誤差修正值設(shè)定錯(cuò)誤，多數(shù)是正負(fù)值錯(cuò)誤，使溫場(chǎng)的實(shí)際溫度向相反的方向修正，修正后的誤差是不修正時(shí)的二倍。這種錯(cuò)誤出現(xiàn)的比較多，當(dāng)修正值小于5℃時(shí)，工藝人員不容易發(fā)現(xiàn)。只能在溫場(chǎng)的定期檢測(cè)，或查找產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題的專項(xiàng)檢測(cè)中才能發(fā)現(xiàn)。

2.1.3 使用環(huán)境溫度超出補(bǔ)償溫度范圍

一般的溫度控制器的技術(shù)說(shuō)明書(shū)中都規(guī)定其使用的環(huán)境溫度范圍（一般為-10～50℃），冷端溫度補(bǔ)償在規(guī)定的范圍內(nèi)做到比較精確，超出這個(gè)范圍冷端測(cè)溫補(bǔ)償精度都明顯下降，造成補(bǔ)償誤差加大。尤其是一些分離單獨(dú)控制的系統(tǒng)，溫控器的接線端子，也就是熱電偶的冷端離溫場(chǎng)較近，隔熱效果又不好的時(shí)候，隨著溫場(chǎng)溫度不斷上升或下降幅度比較大時(shí)，冷端溫度很容易就超出允許的環(huán)境溫度，進(jìn)入溫控器內(nèi)部冷端補(bǔ)償電橋法的不精確區(qū)域，也就是溫控器內(nèi)部熱敏電阻（鉑熱電阻或硅溫度傳感器）的非精確測(cè)溫區(qū)，導(dǎo)致補(bǔ)償誤差加大，經(jīng)連續(xù)對(duì)一個(gè)工作在150℃的烘箱進(jìn)行檢測(cè)，工作3h后，補(bǔ)償誤差達(dá)到8℃。此時(shí)熱電偶冷端溫度（溫控器所在的位置）為55℃。

2.2 補(bǔ)償導(dǎo)線問(wèn)題

補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)（包括常溫）具有與所匹配的熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)的標(biāo)稱值相同的一對(duì)帶有絕緣層的導(dǎo)線，用他們連接熱電偶與溫控器，以補(bǔ)償他們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。在使用中常會(huì)出現(xiàn)使用錯(cuò)誤。

2.2.1 補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極接反

在日常檢測(cè)過(guò)程中，有不少?gòu)S家電工對(duì)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線（又名熱電偶線）的作用不了解，只知道熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線是熱電偶與儀表連接的專用線。而不知道熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線有正負(fù)極之說(shuō)，隨意將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶和儀表連接，這是錯(cuò)誤的，會(huì)引起很大的誤差。以用在烘箱上，工作在150℃的K型熱電偶（鎳鉻一鎳硅）為例，如果將補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極接反，且補(bǔ)償導(dǎo)線的兩端（即：熱電偶的冷端與溫控器的接線端子處）存在溫差。熱電偶的冷端為30℃，溫控器所在的控制室環(huán)境溫度為25℃，計(jì)算接反后造成溫度誤差為：EAB（0～30℃）=1.203mV，EAB（0～25℃）=1.0005mV，△E=-2EAB（25～30℃）=-0.405mV。查表得該電壓值相當(dāng)于一10℃，即溫場(chǎng)溫度比溫控器的顯示值要高出10℃，對(duì)于大多數(shù)的工藝，10℃的誤差都會(huì)帶來(lái)質(zhì)量問(wèn)題，尤其是電子元器件的生產(chǎn)工藝，溫度誤差都要求控制在5℃以內(nèi)，否則對(duì)元器件的電性能會(huì)造成嚴(yán)重的影響。

2.2.2 用錯(cuò)補(bǔ)償導(dǎo)線

熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線用錯(cuò)，或干脆不用補(bǔ)償導(dǎo)線而直接用普通銅導(dǎo)線將熱電偶的冷端與溫控器連接起來(lái)，這是許多分離溫控系統(tǒng)普遍存在的問(wèn)題，尤其是對(duì)于愷裝熱電偶，出廠時(shí)是不帶補(bǔ)償導(dǎo)線的，而且愷裝熱電偶都插裝在溫場(chǎng)內(nèi)，熱電偶的冷端相對(duì)距離溫場(chǎng)較近，溫度與溫控器所在的環(huán)境溫度相比要明顯偏高，且隨著溫場(chǎng)溫度升高、工作時(shí)間加長(zhǎng)，熱電偶冷端溫度有所增加。不用正確補(bǔ)償導(dǎo)線將冷端引入溫控器，就會(huì)造成很大的誤差。這種誤差大小與用錯(cuò)的補(bǔ)償導(dǎo)線材質(zhì)有關(guān)系，不像補(bǔ)償導(dǎo)線接反可以計(jì)算，其結(jié)果具有不確定性。仍以上面補(bǔ)償導(dǎo)線接反的情況為例，補(bǔ)償導(dǎo)線是用BV2.5mm²的銅導(dǎo)線，進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，在150℃，工作1h后的顯示誤差為6℃。

3 熱電偶保護(hù)鎧對(duì)溫度控制的影響

熱電偶傳感器多為具有保護(hù)層的愷裝結(jié)構(gòu)，可以提高傳感器的抗干擾性能（如抗腐蝕、抗震動(dòng)），也可以使傳感器所在溫控系統(tǒng)的執(zhí)行元件穩(wěn)定工作，不至于產(chǎn)生對(duì)干擾的誤響應(yīng)[8]。但熱電偶的保護(hù)愷會(huì)導(dǎo)致溫度檢測(cè)的滯后，即實(shí)際溫度已經(jīng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溫度，傳感器沒(méi)有響應(yīng)，致使執(zhí)行元件繼續(xù)工作（制冷或加熱）使傳感器所監(jiān)控的溫場(chǎng)溫度在滯后時(shí)間內(nèi)偏離工藝需要的設(shè)定值越來(lái)越大。

3.1 干燥箱實(shí)驗(yàn)

為研究保護(hù)愷對(duì)溫度檢測(cè)的影響，用不帶保護(hù)層并經(jīng)計(jì)量檢定合格二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)全程監(jiān)測(cè)干燥箱在箱門關(guān)閉后重新達(dá)到設(shè)定值的溫度變化情況。表1為實(shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻達(dá)到干燥箱溫度設(shè)定值開(kāi)始記錄，圖3為干燥箱溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

分析圖3，最長(zhǎng)超溫時(shí)間可達(dá)10min。最大超溫值可達(dá)17℃。由于溫控器采用偏差控制，干燥箱內(nèi)溫度會(huì)在設(shè)定值上下波動(dòng)后趨于穩(wěn)定。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻所反映的是干燥箱內(nèi)的真實(shí)溫度，從其示值可以看出，實(shí)際溫度在達(dá)到穩(wěn)態(tài)控制前已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)定溫度值，足見(jiàn)愷裝熱電偶的測(cè)溫滯后對(duì)干燥箱控溫精度的影響。并且這種超溫對(duì)于大多數(shù)的生產(chǎn)或科研工藝都會(huì)有質(zhì)的改變。但這種現(xiàn)象是傳感器所在設(shè)備的使用人員是無(wú)法知道的，只有專業(yè)的計(jì)量檢測(cè)人員才能發(fā)現(xiàn)，因此在考慮是否使用保護(hù)愷時(shí)，需要慎重。

3.2 提高控溫精度的現(xiàn)場(chǎng)做法

在非惡劣條件的溫場(chǎng)中，可以將愷裝熱電偶感溫點(diǎn)處的保護(hù)層切掉，使感溫點(diǎn)完全外漏，使熱電偶感溫點(diǎn)處在溫場(chǎng)溫度相對(duì)敏感的熱風(fēng)口對(duì)面的位置。

或者將執(zhí)行元件的加熱功率做分檔處理，依據(jù)溫度設(shè)定值與實(shí)際值的偏差大小，來(lái)逐漸加大或減小加熱器的功率，保證溫沖不會(huì)太大，縮短滯后時(shí)間和滯后誤差。

3.3 應(yīng)用PID控制提高控溫精度

為消除保護(hù)愷對(duì)熱電偶測(cè)溫精度影響，應(yīng)選擇最佳的PID參數(shù)。可通過(guò)適當(dāng)減小溫控器內(nèi)的比例設(shè)定值，達(dá)到抑制溫場(chǎng)溫度超調(diào)。增加溫控器內(nèi)部的微分設(shè)定值，縮短溫場(chǎng)溫度滯后的時(shí)間。當(dāng)然，減小比例加大微分值的做法，對(duì)于不同的系統(tǒng)、不同的溫控器都需要大量的試驗(yàn)反復(fù)的調(diào)整，才能得到一組最佳設(shè)定值。

必要時(shí)可以采用一些先進(jìn)的算法來(lái)整定PID參數(shù)。比如可以采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法來(lái)整定溫控器的PID參數(shù)，如圖4所示。

其中，r為溫度設(shè)定值，Y為熱電偶測(cè)得溫度值。以r與Y的偏差e、de、r、y作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器的輸入，經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算后得到K_p、K_i和K_d輸入PID控制器，產(chǎn)生的控制信號(hào)經(jīng)信號(hào)放大器放大后控制功率加熱元件，進(jìn)而控制干燥箱的溫度，使得溫度可以智能的調(diào)節(jié)。

還可以將熱電偶與其保護(hù)愷的關(guān)系近似為換熱器，將其加入到PID控制閉環(huán)中，作為一個(gè)運(yùn)算環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖5所示。

換熱器的傳遞函數(shù)為：

G（s）=k/as+1其中a與k的值應(yīng)根據(jù)保護(hù)愷的具體材料而定。將保護(hù)愷的換熱也作為溫控系統(tǒng)的一個(gè)考慮環(huán)節(jié)將更有利于提高系統(tǒng)的控溫精度。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）構(gòu)建了基于熱電偶的溫度場(chǎng)控制系統(tǒng)，闡述了溫控器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理。

2）研究了溫控器使用及冷端補(bǔ)償對(duì)溫度場(chǎng)控制系統(tǒng)的影響，重點(diǎn)分析了因溫控器設(shè)置不當(dāng)、溫控器使用環(huán)境不當(dāng)、補(bǔ)償導(dǎo)線反接、補(bǔ)償導(dǎo)線用錯(cuò)所產(chǎn)生的誤差形式及解決辦法。

3）通過(guò)干燥箱實(shí)驗(yàn)測(cè)試了熱電偶保護(hù)愷對(duì)溫度控制的影響，發(fā)現(xiàn)保護(hù)愷會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生超溫與滯后，最長(zhǎng)超溫時(shí)間可達(dá)10min，最大超溫值可達(dá)17℃，并提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID和考慮保護(hù)愷影響的熱電偶模型的PID溫控系統(tǒng)改進(jìn)措施。

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（編輯：徐柳）