萬 利

（河鋼集團(tuán)唐鋼公司信息自動化部 河北 唐山 063000）

1 引言

由于熱電偶在電力生產(chǎn)領(lǐng)域以及其他工業(yè)領(lǐng)域有著重要的作用，在目前的測溫系統(tǒng)中，熱電偶是最為常見的測溫傳感裝置。各國、各個電力生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)τ跓犭娕嫉臏y溫精度的標(biāo)準(zhǔn)越來越高，提高熱電偶的精確度也顯得尤為重要。溫度在測量的情況下一般是瞬態(tài)的，而熱電偶的熱慣性對于測溫有著較大的影響，因此出現(xiàn)了比較明顯的溫差現(xiàn)象，這種現(xiàn)象又叫做熱電偶的動態(tài)誤差。通過對熱電偶的動態(tài)校準(zhǔn)以及動態(tài)補(bǔ)償，能夠有效地提高測零溫度的精確性，動態(tài)校準(zhǔn)與動態(tài)補(bǔ)償?shù)倪^程，就需要對熱電偶的動態(tài)響應(yīng)特征以及傳感裝置的動態(tài)特性進(jìn)行研究。在了解了熱電偶的動態(tài)響應(yīng)特性之后，才能了解其工作性能指標(biāo)。如果其性能指標(biāo)在熱電偶的測溫系統(tǒng)中不符合要求時候，就需要動態(tài)補(bǔ)償技術(shù)的支持以及重新設(shè)計熱電偶。本文主要介紹的是大功率激光器的熱電偶動態(tài)校準(zhǔn)體系，通過動態(tài)補(bǔ)償來彌補(bǔ)熱電偶的動態(tài)誤差，從而獲取更為準(zhǔn)確的溫度值。

2 熱電偶及測溫原理

2.1 熱電偶的概念

熱電偶就是一種測量溫度的元件，在熱電偶的測溫過程中，通過產(chǎn)生的熱電勢將溫度信號傳達(dá)出來，從而獲取被測對象的實(shí)際溫度。

2.2 熱電偶的測溫原理

熱電偶的測溫原理主要是通過自身的材料決定的，熱電偶主要是依靠兩個導(dǎo)體或者半導(dǎo)體形成閉合回路，從而測量出溫度的過程。熱電偶在工作過程中，形成了熱電勢，而這種熱電勢和熱電偶兩端的溫度不同。熱電偶是有兩種導(dǎo)體材料組成的，把這兩種材料作為熱點(diǎn)及，測溫過程中，熱端就是溫度較高的一端，而溫度較低的那一端則為冷端。通常情況冷端是在恒溫的狀態(tài)下，此時熱電勢的方向以及大小與兩種導(dǎo)體的特性以及熱端的溫度有著直接的關(guān)系。而被測的溫度與熱電勢有著固定的函數(shù)關(guān)系，因此只需測得熱電勢的大小，進(jìn)而知道了溫度的大小。熱電勢的問題還應(yīng)注意以下內(nèi)容：

（1） 熱電偶的導(dǎo)體以及兩端溫度的差異，決定著熱電勢的范圍；（2）熱電勢是材料兩端溫度形成函數(shù)的差；（3）恒溫下，冷端溫度保持一致，此時熱電勢是熱端溫度的單值函數(shù)。

2.3 熱電偶測溫的優(yōu)點(diǎn)

熱電偶在側(cè)向溫度時與其他測溫儀器儀表相比有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：

（1）準(zhǔn)確度高。一般熱電偶采用的是誤差較小的K分度熱電偶，其I級誤差在±0.4%t左右。（2）結(jié)構(gòu)簡單。熱電偶的結(jié)構(gòu)比較簡單，利于維護(hù)和保養(yǎng)，它主要由點(diǎn)擊、絕緣子、接線端子以經(jīng)濟(jì)護(hù)套幾部分組成。（3）動態(tài)響應(yīng)快。由于其結(jié)構(gòu)比較簡單，而在測溫的時候相應(yīng)的熱電勢產(chǎn)生不是太多，使得其動態(tài)響應(yīng)速度比較快。（4）測溫范圍廣。運(yùn)用比較廣泛的熱電偶一般測量溫度的范圍在-50～1600℃之間，而有些熱電偶最低測溫值在-269℃，最高能夠達(dá)到2800℃。

3 影響熱電偶測溫的因素

3.1 影響熱電偶準(zhǔn)確性的因素

熱電偶可以測量任何形態(tài)下的物體溫度，所以熱電偶的運(yùn)用非常廣泛，在工作過程中所形成的非線性特性，它是隨著熱電勢的增大而增大。因此在實(shí)際的測量時，影響熱電偶準(zhǔn)確性的兩種因素是熱電偶的線性化問題的處理以及冷端溫度的補(bǔ)償溫度確定性問題。

3.2 影響熱電偶穩(wěn)定性的因素

（1）熱電偶中某些元素在使用過程中造成熱電極的氧化與發(fā)揮；（2）熱電極在使用過程中受外力影響產(chǎn)生變形；（3）熱電偶在高溫使熱電極中的晶粒變大；（4）工作狀態(tài)下熱電極容易受損。

4 解決熱電偶準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性的方法

4.1 安裝要求

（1）熱電偶的安裝位置應(yīng)于地面保持垂直，盡量避免在高溫下使保護(hù)套管纏身變形（2）如果被測物體有一定的流速，應(yīng)將熱電偶安裝在管道的中心位置，并與該物體的流動方向相反；（3）若管道有彎曲的地方，應(yīng)將熱電偶安裝在彎曲的位置；（4）平直安裝時，其支架要用耐高溫的材料。

4.2 材料要求

（1）熱電偶的材料在感知溫度的時候，一般都會產(chǎn)生熱電勢以及熱電勢率，熱電勢與溫度形成線性關(guān)系的單值函數(shù)；（2）熱電偶的材料能夠適用于較廣的溫度范圍以及其他各種條件；（3）熱電偶的材料要具有教導(dǎo)的導(dǎo)電性，電阻以及熱容量要小。

4.3 定期檢查

（1）熱電偶的熱電極應(yīng)沒有受損情況，且內(nèi)部材料要合格均勻；（2）熱電偶的電極有無氧化、腐蝕的現(xiàn)象；（3）熱電偶的熱端焊接位置應(yīng)牢固、光滑、無殘渣。

5 熱電偶的動態(tài)校準(zhǔn)

本文對于熱電偶的動態(tài)校準(zhǔn)主要是采用大功率的半導(dǎo)體激光器作為研究對象，利用的是大功率的半導(dǎo)體激光器通過發(fā)出動態(tài)的激勵信號，將單脈沖的激光光束經(jīng)過聚焦后，然后再經(jīng)過校準(zhǔn)屏蔽箱的輸入窗口，被校準(zhǔn)的熱電偶通過加溫，此時就會出現(xiàn)動態(tài)的反應(yīng)過程，然后通過數(shù)據(jù)采集卡得出數(shù)據(jù)曲線。這時熱電偶上的形成熱擴(kuò)散的現(xiàn)象，講這種熱擴(kuò)散經(jīng)過球面反射于另一個焦點(diǎn)的紅外探測器的位置上，紅外探測器此時就會經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡輸出曲線情況。此時，熱電偶與紅外探測器同時測溫，紅外探測器的時間常數(shù)一般低于10μs，熱電偶的頻率響應(yīng)低于紅外想探測器，所以通常情況下選擇后者的值作為標(biāo)準(zhǔn)值，來校準(zhǔn)熱電偶的值，并根據(jù)動態(tài)存在的誤差進(jìn)行動態(tài)補(bǔ)償。

6 動態(tài)補(bǔ)償

為了解決熱電偶存在溫度不準(zhǔn)確的情況，所以采用對熱電偶的動態(tài)校準(zhǔn)來糾正溫度，在校準(zhǔn)時，一定要考慮到動態(tài)補(bǔ)償?shù)膯栴}。而熱電偶的動態(tài)校準(zhǔn)又分為三個部分，它主要由被校準(zhǔn)溫度傳感器的靜態(tài)校準(zhǔn)和紅外探測器、被校準(zhǔn)溫度傳感器的動態(tài)校準(zhǔn)和紅外探測器以及瞬態(tài)下表面溫度與紅外探測器組成。在熱電偶溫度校準(zhǔn)時，建立一個時間曲線圖。上文中提到，紅外探測器獲取的值為準(zhǔn)確的溫度，通過熱電偶和紅外探測器的校準(zhǔn)，建立一個動態(tài)補(bǔ)償模型。通過這個模型可以獲取一組函數(shù)，通過函數(shù)分析減小被校準(zhǔn)溫度的誤差，最終實(shí)現(xiàn)對熱電偶的動態(tài)補(bǔ)償。

7 結(jié)語

由于熱電偶的優(yōu)點(diǎn)，使其在溫度測量中被廣泛運(yùn)用。對于其存在的缺點(diǎn)，在實(shí)際的測量溫度過程中，一定要通過系統(tǒng)的校準(zhǔn)，對于細(xì)節(jié)一定要把握準(zhǔn)確。通過了解熱電偶的原理，選擇在測量溫度時合適的熱電偶。結(jié)合實(shí)際情況，對被測物的溫度進(jìn)行分析比較，通過動態(tài)校準(zhǔn)和動態(tài)補(bǔ)償確定所需的實(shí)際溫度。掌握正確的校準(zhǔn)方法，加強(qiáng)自身的理論知識學(xué)習(xí)，才能確保工作中不會出現(xiàn)問題，才會避免質(zhì)量故障的發(fā)生。

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