对基于集成温度传感器的热电偶冷端补偿方法分析

胡寅 黄晓青

摘 要：集成溫度传感器在现代工业生产、监控等领域发挥着重要作用，其热电偶冷端的工作能力则直接影响设备性能。基于此，本文以集成温度传感器的热电偶冷端补偿可行方法作为切入点，给予分别论述，再通过模拟实验的方式，借助理想的计算机环境了解不同方式的优劣势，以期通过分析为后续工作提供参考。

关键词：集成温度传感器;热电偶;冷端补偿;零点迁移法

前言：热电偶（thermocouple）是温度测量仪表中常用的测温元件，可直接进行目标对象温度的测量，再将其转化可识别的信息，表示测定结果，常用于集成温度传感器中。由于其冷端温度可能受到环境影响，多呈现出波动变化的特点，传感器的误差无法避免，这也对热电偶冷端补偿功能提出了明确要求，需予以重视。

1.集成温度传感器的热电偶冷端补偿可行方法

1.1零点迁移法

零点迁移法的基本原则为，对某个固定参数值进行加大，将其默认为一个迁移后的标准值，再以该值为参照，实现间接热电偶冷端补偿，获取集成温度传感器的工作结果。集成温度传感器的实际工作环境可能出现多种变化，冷端温度往往不是恒定的，但电动势EAB（TH，0）通常是一个常数，可作为一个理想的参照值，做为迁移目标。如测定目标为某设备，可借助动圈仪表对集成温度传感器进行辅助，将仪表常规工作状态下的温度作为标准值，获取热电动势的默认值，此时设备的温度测定结果应是仪表常规工作状态下的温度，该温度即默认为一个零点值（热电偶一端的理想值），具体工作中，只有当热端温度T=TH时，才能使EAB（T，TH）=0，即便设备温度的变化是多样的，标准参考也不会受到影响，标准的温度值始终可通过简单的代入计算获取[1]。

1.2补偿器法

补偿器法是一种利用设备自动工作的方法，利用不平衡电桥产生热电势，补偿热电偶因冷端温度变化出现的误差。该方法的基本原理也较为简单，强调温度测定目标变化的规律性，以大量的数据信息以基础，设备反复、固定的默认补偿机制。如温度测试对象为变压器，该变压器自正常工作状态下，温度的变化必然呈现为一个数集的形式，以A表示变压器的额度温度，该数集可表现为：

A=[An……A-2;A-1;A;A1;A2……An]

数集中，n表示收集所获的样本数目，将n个样本中的最大值、最小值和A的差值作为参考，可以获取集成温度传感器热电偶冷端补偿的范围，之后将对应数值输入到计算机中，对集成温度传感器进行智能控制。无论热电偶冷端的实际温度出现何种变化，只要其处于n个样本的范围内，就能被计算机识别，并进行自动化补偿，保持温度监测结果的准确性[2]。

1.3补正系数法

补正系数法，是选取一个变化系数k，以k对实测温度值进行补偿，获取接近标准值的测定结果。以TH表达集成温度传感器热电偶冷端的实际温度，代入到EAB（T，TH）查分度表的实际温度处，生成测定的温度初步结果T，再将k代入目标对象的测定结果中进行计算，获取最终结果，其计算公式为：

T= T′+ k×TH

在该公式中，T不是一个常数（极少情况下可重复），T′作为室温下热电偶电势与分度表上对应的某个温度，也是一个可变参数，TH为集成温度传感器热电偶冷端的实际温度，带有动态变化特征，只有k是固定值。实际工作中，可选取某一个节点下T、T′、k、TH的真实数值进行计算，获取较为准确的温度测定结果。如某对象测得冷端温度为35℃，同一时间节点下。热电动势为11.348mV、T′=1150℃，k值固定为0.3，则对象实际温度为：

T=1150+0.53×35=1168.3（℃）

补正系数法原理简单，但误差相对较大，因此不宜应用于精度要求高、动态变化特别频繁的监测对象处。

2.模拟分析

2.1模拟对象和方法

以某锅炉作为监测对象，收集其集成温度传感器的现有工作资料以及锅炉自身工作资料，生成信息化模型，应用计算机进行模拟实验。实验方法为参数调整法，不断应用计算机更改锅炉工作环境的温度值，分析零点迁移法、补偿器法、补正系数法捕捉信息的精确性。以反复实验的方式，了解单一技术方法下历次温度值的均差，与当前该锅炉系统中集成温度传感器的工作结果进行对照，了解不同技术的优劣势。

2.2模拟过程和结果

模拟实验分为四组，即原始组、零点迁移组、补偿组和补正系数组。每组实验进行100次。收集每一次模拟的结果，筛选最大值、最小值、平均值以及100次实验结果的均差，所获结果如表1所示：

从结果上看，零点迁移法、补偿器法、补正系数法都提升了集成温度传感器热电偶冷端补偿能力，零点迁移组的测定温度的最大值和最小值差异略大，但均差最小，补偿组的均差略大，但测定最大值和最小值的波动最小，补正系数的价值介于原始组和其他两组之间，不过其原理最为简单，适用性较为理想。

总结：综上，集成温度传感器的热电偶冷端补偿，是保证设备工作性能的重要措施，具体方法包括零点迁移法、补偿器法、补正系数法等。不同方式的原理和工作方式存在差异。经模拟分析，补偿器法波动较小，零点迁移法工作稳定性最理想，补正系数法的可操作性最强，模拟结果均比较理想，后续工作中可酌情选用。

参考文献：

[1]丁炯，唐宵，杨遂军，等.基于小型爆燃发生装置的温度传感器动态特性标定[J].传感技术学报，2018，31（02）：195-201.

[2]刘浩，赵化业，王文革，等.热电偶温度传感器响应时间测试及分析[J].宇航计测技术，2017，37（06）：48-52.