航空用熱電偶校檢冷端補償影響因素的減小或消除

（中國飛行試驗研究院，陜西西安 710089）

0.引言

溫度參數(shù)在航空領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用和起著重要作用，為保證在飛行試驗中使用航空用熱電偶測溫時得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、量值可靠，不僅要對這些航空用熱電偶進(jìn)行周期或不定期的校檢，還要在校檢過程中充分對各種影響因素進(jìn)行考慮與分析，盡量地減小與消除影響。結(jié)合我院工作情況分析，本文在熱電偶校檢爐溫場均勻性影響已考慮的前提下，探討了熱電偶校檢時冷端補償影響因素的減小或消除。

1.冷端補償方案分析與選擇

目前常用的熱電偶冷端補償方案大致有9種，根據(jù)航空用熱電偶的特點和使用要求，一般選取冰點法和熱電阻測冷端溫度法這2種冷端補償方式。這2種方法都有補償準(zhǔn)確度高、使用較為簡單方便的優(yōu)點，缺點是對于實驗室環(huán)境而言，相對其他辦法而言都十分容易克服。對這2種冷端補償方法而言，從理論上來說，用冰點法的補償效果準(zhǔn)確度更高，因為在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰與水的平衡溫度為0℃，雖然在實際的實驗室校檢過程中，實驗室用清潔的冰水混合物放在保溫瓶內(nèi)達(dá)到的熱平衡溫度會比0℃略低，大約為-0.04℃左右，按照不確定度評定中的方法可計算出此誤差引入的不確定度值約為0.02℃，大約占航空用熱電偶自動校檢系統(tǒng)總的擴展不確定度的1/60，故此誤差影響極小，對熱電偶測溫產(chǎn)生的影響可以忽略。但在實際工作中，因為冰點法需要每次校檢前制作冰水混合物，且對實驗室的環(huán)境要求相對較高，所以熱電阻測冷端溫度法由于使用方便且可以實時進(jìn)行補償。下面將以熱電阻測冷端溫度法為分析對象，討論其對整個系統(tǒng)校檢結(jié)果的影響是否能夠消除或減小。

2.冷端補償影響因素的減小或消除

實驗室選取的冷端補償熱電阻為一只A級的Pt100鉑熱電阻，測溫范圍為0℃～200℃， 探頭尺寸為φ4×30mm，探頭材質(zhì)為無縫304不銹鋼。

根據(jù)鉑熱電阻的允許偏差，A級Pt100鉑熱電阻在補償熱電偶校檢過程冷端溫度時，其引入的測量誤差最大值為±(0.15+0.002|t|)℃，與被校檢熱電偶冷端溫度正相關(guān)，與冷端距校檢爐位置負(fù)相關(guān)，即若被校檢航空用熱電偶冷端被延長后離熱電偶校檢爐的爐口越近，其溫度可能受校檢過程中加熱時校檢爐逸散出的溫度影響越大，鉑熱電阻在進(jìn)行溫度補償時引入的測量誤差越大；反之，冷端溫度越接近室溫，進(jìn)行溫度補償時鉑熱電阻引入的測量誤差越趨于定值（室溫恒定控制在(20±5)℃內(nèi)）。此外，在用鉑熱電阻測溫法進(jìn)行熱電偶校檢冷端溫度補償時，可能會產(chǎn)生誤差的影響因素還有鉑熱電阻放置位置與被校檢熱電偶冷端位置的偏離程度和室溫發(fā)生波動時測量產(chǎn)生的誤差影響這2種。簡單分析可知，這3種會對冷端補償方法造成誤差的影響因素前兩種都是因為冷端溫度測量不準(zhǔn)確造成的，屬于可以減小的影響因素。

根據(jù)實驗室實際工作情況，對前2種影響因素提出簡單的解決方案如：綜合考慮被校檢航空用熱電偶冷端延長的成本與熱電偶校檢爐對校檢所在實驗室環(huán)境溫度的影響大小，且實驗室場地大小固定，可以在熱電偶校檢的冷端引入恒溫塊（或恒溫箱），將熱電偶與冷端補償用的鉑熱電阻一起放置在恒溫塊的孔槽中，因為恒溫塊的特性，可以使此時冷端溫度不會受外界環(huán)境溫度波動或者熱電偶校檢爐逸散溫度的影響，或者溫度變化非常緩慢，與每次測溫補償冷端溫度的采集用時相比，近似為恒定值。引入恒溫塊（或恒溫箱）的方法在一定程度上可以改善室溫波動引入的誤差，但無法對熱電阻補償方法的測量電路因為溫度變化產(chǎn)生的誤差進(jìn)行改善，針對這一情況，分析熱電阻測溫電路和誤差來源，提出改善方法：引入兩個標(biāo)準(zhǔn)補償電阻。

在本系統(tǒng)的冷端補償部分鉑熱電阻測溫的工作原理是系統(tǒng)提供恒流源，對鉑熱電阻Rt提供恒定電流I，直接測量熱電阻兩端產(chǎn)生的電壓值U，將其轉(zhuǎn)換后傳給計算機計算出Rt，然后根據(jù)Rt=R0(1+At+Bt2)計算出溫度值t。其中Pt100鉑熱電阻的R0=100Ω，A=3.9083×10-3℃-1，B=-5.7750×10-7℃-2。在此過程中，t經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給計算機的數(shù)字信號為：

其中Vm代表數(shù)字多用表內(nèi)放大器失調(diào)電壓，N為放大電路放大倍數(shù)，Vs為數(shù)字多用表A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓，Df為滿量程數(shù)字量。從式（1）可以看出，與計算Rt時使用的數(shù)字量D相關(guān)的5個參數(shù)除I恒定外，都可受環(huán)境溫度變化影響。

根據(jù)鉑熱電阻溫度與阻值對應(yīng)關(guān)系，在電路中接入兩個準(zhǔn)確度等級為0.01級，溫度漂移1ppm的標(biāo)準(zhǔn)電阻，測溫如圖1所示，其中R100=100Ω，R138.5=138.5Ω，用來對應(yīng)t100=0℃，t138.5=100℃，對應(yīng)的數(shù)字量為D0和D100且D100=Df，通過系統(tǒng)的低熱電勢掃描開關(guān)對電路進(jìn)行切換，控制數(shù)字多用表的輸出數(shù)字量來源。則有：

圖1 接入標(biāo)準(zhǔn)電阻的冷端補償熱電阻測溫框圖

據(jù)此，如果采樣周期足夠短，可以認(rèn)為在式（1）、（3）和（4）中5個參數(shù)相等，則式（2）可整理為：

因為Rt只與冷端溫度有關(guān)，所以探討環(huán)境溫度影響時其可看成常數(shù)，對式（5）微分并將R100=100Ω，R138.5=138.5Ω代入，整理后，得到：

則有：

又因為：dR100=100×10-6Ω/℃，dR138.5=138.5×10-6Ω/℃，故兩個補償標(biāo)準(zhǔn)電阻的溫度漂移對熱電阻測溫對應(yīng)電阻R的影響為：

再由鉑熱電阻測溫原理，得到：

根據(jù)熱電阻阻值相對測量誤差對溫度值產(chǎn)生誤差的影響，溫度的相對誤差應(yīng)為阻值誤差的2.6倍，則可最終得到補償標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度漂移對熱電阻測溫引入的誤差約為5.2ppm/℃。

基于該方法對整個航空用熱電偶校檢過程的冷端補償方法進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)點在于：將測量裝置因為環(huán)境溫度發(fā)生變化產(chǎn)生的難以控制的誤差轉(zhuǎn)換為方便控制且成本低的兩只標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差變化，在提高冷端補償準(zhǔn)確度的同時，實現(xiàn)方法簡單。

3.結(jié)語

通過對航空用熱電偶校檢時冷端補償?shù)姆桨概c熱電阻測溫冷端補償法中影響因素的討論，得到了兩種有效減小或消除航空用熱電偶校檢時冷端溫度補償影響因素的方法：采用冰點法進(jìn)行冷端補償或者引入標(biāo)準(zhǔn)補償電阻減小鉑熱電阻測溫補償冷端溫度時溫漂的誤差影響，確保了航空熱電偶校檢結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，且實現(xiàn)方法簡單易行。