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横河大学：实用温度测量原理及技巧

2021-03-02 17:03:05·  来源：横河测试测量  作者：YOKOGAWA  
　
记录仪在工业现场和科研中有广泛运用，温度测试是重要需求之一，而且应用场景丰富。2020年7月7日，横河大学正式开播，记录仪测试专家冯越路博士在线分享多年现场实测的经验，观众反响甚好！本期采撷部分内容发表，以供参考。有关横河大学的培训详情和更多视频
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基于热电偶的测温原理，冷端补偿是热电偶测温时的必须要素，但在实际应用中却很容易被忽略，如何保证冷端补偿的精度是保证热电偶测温精度的一个重要考量。另外，在快速温度测量应用中，我们往往对采集器等二次仪表的采样周期很关注，但是却忽略了与之匹配的热电偶的响应时间，错误选取热电偶从而影响实际测温效果。以下我们对冷端补偿和热电偶响应时间的相关内容做一个简要说明。

冷端补偿

冷端补偿主要分为内部补偿和外部补偿。内部补偿原理图如图1所示。
 
图1 内部补偿原理
内部补偿即记录仪等二次仪表提供冷端补偿，为了保证内部冷端补偿精度，除了采用高精度的测温传感器以外，如何实现端子等温化也非常重要。横河记录仪通过温度传感器(晶体管)的最佳配置和使用金属芯印制板的制作工艺(见图2)保证端子等温化。即便如此，当端子(测量仪表)放置环境温度产生剧烈变化，对热电偶测温结果也会产生较大的影响，因此，保证测量仪表放置环境稳定至关重要。
图2 金属芯印制板工艺
外部冷端补偿原理如图3。可以使用外置电子冰点补偿器(ZERO-CON)进一步提高测温精度。注意外置补偿器和测量仪器之间的接线是普通导线而非热电偶线。
图3 外部补偿原理
 
热电偶响应时间

热电偶响应时间主要由热电偶线径和热电偶前端加工类型决定。热电偶前端类型如图4主要有露出型、接地型和绝缘型三种。
图4 热电偶前端类型比较
 
可见较常用的绝缘型热电偶和其他两种相比响应时间较慢，但是在抗干扰性方面有优势。热电偶前端加工类型和线径与响应时间的定量关系，不同温度传感器厂家有其特定的描述。例如图5是美国OMEGA热电偶(接地型/露出型)在特定测试条件下的线径和响应时间对应关系。若是选择绝缘型热电偶，响应时间常数应乘以1.5。响应时间定义为达到瞬时温度变化63.2%所需的时间。测试条件为室温、大气压力下空气流速为每秒20m。在高速测温的应用中，测量仪器采样时间和热电偶的响应时间要互相匹配。
图5 OMEGA热电偶线径和响应时间对应关系
 
热电偶测温的抗干扰问题

使用热电偶测温经常会遇到电气干扰的困扰。一方面，近年由于变频电源在各行各业的普及，测试环境变得越来越严酷。另一方面，热电偶温度变化所产生的热电势很小，因此与热电阻等其他传感器相比更容易受到电气干扰的影响。
图6是常用变频器等效回路图，可以看到同时存在三种干扰源，50Hz的商用电源，脉宽调制(PWM)产生的高频脉冲干扰(电力密度较高)，和低频变频干扰。
图6 变频器等效回路图 
 
横河的测量仪表所提供的抑制干扰功能包括
  1. 积分A/D
  2. 一阶低通滤波
  3. 通道独立A/D模块
积分A/D顾名思义是指对模拟信号进行特定时间积分运算后再进行A/D变换。可针对不同的工频(50Hz/60Hz)干扰源，设置合适的积分时间(测量周期)以达到抑制效果。积分A/D抑制干扰示意图如图7所示
图7 积分A/D抑制干扰示意图
 
当干扰信号频率和A/D积分周期不匹配时，干扰影响无法只通过“积分”抑制。因此，横河高速模块提供滤波功能，通过调整一阶低通滤波器的截止频率，结合A/D积分可抑制高频干扰源的影响。但是滤波会使测量结果产生一定的滞后，因此常用于稳态温度测试。A/D积分结合一阶低通滤波器抑制干扰示意图如图8所示。
图8 积分A/D结合一阶低通滤波器示意图
目前市场上常见的数据采集仪器多为扫描型，即多个通道共用一个A/D，通过继电器分时切换。扫描型最大的优点是节约成本，而缺点是采集速度受限且通道间切换易受干扰影响。横河推出通道独立A/D模块(如图9)，每个测量通道使用独立A/D转换器，提高抗干扰性的同时大幅提高了共模耐压。
 
除了记录仪提供的抑制干扰的方法以外，用户在实际测试过程中可通过一些方法来减少干扰的影响。例如可使用绝缘胶带将被测物与热电偶前端隔离；将信号源和记录仪通过等电位化来去除地电流所产生的的电势差；还有使用绞合屏蔽热电偶线，可抑制热电偶布线时的静电耦合干扰。

横河大学
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