(廣西壯族自治區(qū)計量檢測研究院 廣西 南寧 530007)
在校驗儀表中,多數(shù)數(shù)字儀表都給出了溫度補償?shù)姆秶蛘呤潜WC準確度的溫度范圍,也有儀表給出了溫補系數(shù)。為什么要給出這樣的指標?指標有什么意義?
在工業(yè)現(xiàn)場的環(huán)境溫度變化的范圍大而劇烈。工作在工業(yè)現(xiàn)場的檢測系統(tǒng)、傳感器、變送器、敏感元件、電子器件等對溫度都有一定的敏感度。儀表中的傳感器的工作通過信號轉(zhuǎn)換為易傳輸與處理的電信號,但大多數(shù)傳感器的敏感元件采用金屬或半導(dǎo)體材料,其特性與環(huán)境溫度有著密切的聯(lián)系,受溫度變化引起的熱輸出較大。這樣就會使檢測系統(tǒng)的零點和和靈敏度發(fā)生變化而造成輸出值隨環(huán)境溫度而變化,導(dǎo)致測量出現(xiàn)附加誤差。繼而影響到傳感器的靜特性。雖然可以考慮采用冷卻或恒溫措施,但在不宜采用這種措施的場合,則需要采取電路硬件措施或在應(yīng)用微處理的檢測系統(tǒng)中采用軟件進行補償,以減少或消除溫度變化帶來的影響,即必須進行溫度補償。
溫度補償是利用檢測系統(tǒng)自身的幾個環(huán)節(jié)受溫度影響產(chǎn)生的變化相反而互相抵消的作用,或在檢測系統(tǒng)中附加一個環(huán)節(jié)、一個電路或一段程序,用它去控制檢測系統(tǒng)的輸出值,使之不隨環(huán)境溫度的變化而變化。為了實現(xiàn)有效的溫度補償,必須找出輸出值隨溫度變化的關(guān)系,既輸出對溫度的靈敏度。根據(jù)靈敏度的規(guī)律確定溫度補償?shù)念愋停瑥亩_定補償電路的結(jié)構(gòu)或程序的結(jié)構(gòu)。
金屬應(yīng)變片的雙金線柵法實現(xiàn)溫補就是典型的應(yīng)用。
并聯(lián)式溫度補償其實質(zhì)上是用補償環(huán)節(jié)隨溫度變化引起的增量法去抵消檢測系統(tǒng)輸出隨溫度變化所引起的增量。差動傳感器能有效地消除溫度的影響就是利用此原理。
反饋式溫度補償?shù)年P(guān)健問題是零點和靈敏度人檢測和采用什么手段去控制它。此方式在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。
主要有三種,零點補償,靈敏度補償和綜合補償。
(1)零點補償
檢測系統(tǒng)在零輸入信號時,包括信號輸入放大器及微機接口電路在內(nèi)的整個檢測部分的輸出應(yīng)為零。但由于零漂的存在,它們的確輸出不為零。微機系統(tǒng)可以把檢測到的零漂值存入內(nèi)存中,爾后,在每次檢測中都減去這個零漂值,這就能實現(xiàn)零點補償。
(2)零漂自動跟蹤補償
零漂值不是一個定值,它會隨環(huán)境溫度、時間而變化,且不是線性的。在有微機參與的檢測系統(tǒng)中,可以借助于軟件實施零漂的自動跟蹤補償,用跟蹤到的零漂值對被測量的采集值進行修正,就可以得到滿意的結(jié)果。
(3)傳感器的溫度修正
在環(huán)境溫度變化較大或?qū)鞲衅饕筝^高的場合,從整個檢測系統(tǒng)整體進行溫度補償又不能有效地克服傳感器的溫度附加誤差,這時,需要單獨考慮環(huán)境溫度變化對傳感器零點和靈敏度的影響。在有些情況下,只采用模擬量或硬件電路是難以實現(xiàn)補償時,在應(yīng)用微機和智能儀表或檢測系統(tǒng)中,只要精確地建立溫度誤差的數(shù)學(xué)模型,就可以較好地解決這一問題。
通常測量時儀表是處于室溫之下的,但由于冷端不為0℃,造成了熱電勢差減小,使測量不準,出現(xiàn)誤差。因此為減少誤差所做的補償措施就是冷端溫度補償。冷端補償與熱電偶相關(guān)。分度表上的標準數(shù)值是以冷端在零度為標準的,然而,測量時儀表通常是處于室溫之下的,由于冷端不為零度,造成熱電勢差減小,使測量不準,出現(xiàn)錯誤。若測量時,冷端(環(huán)境)的溫度變化,將影響嚴重測量的準確性。在冷端采取一定措施補償從而消除該影響稱為熱電偶的冷端補償。在儀器內(nèi)部內(nèi)置一個PT100的冷端補償電阻,它可以實時地測得環(huán)境溫度,從而消除環(huán)境溫度對測量結(jié)果的影響。
實際工作中,由于普通的導(dǎo)線存在一定的電阻,相當(dāng)于閉合回路中加了一個電阻,這對測量結(jié)果的影響非常大,為消除此影響,我們需要使用冷端補償導(dǎo)線。由于冷端的貴金屬材料都比較昂貴,工作中一般都選用和該材料特性非常接近的相對廉價的材料進行替代,這樣就相當(dāng)于冷端直接與儀表的測量電路相連,從而消除了普通導(dǎo)線電阻的影響。熱電偶的測溫或模擬輸出時,我們推薦使用匹配的補償導(dǎo)線,并根據(jù)被測熱電偶或二次儀表的特性(是否自帶溫度補償)選擇是否啟用內(nèi)置的溫度補償功能。
有了溫度補償不一定能保證儀表的準確。一只儀表的好壞是由整體綜合性能決定的,除了溫度補償外,還取決于線性修正、應(yīng)力老化、加工工藝和多項參數(shù)。這就要求企業(yè)自動化開發(fā)水平很高,開發(fā)出儀表綜合采集系統(tǒng),通過長期的技術(shù)儲備和可靠性的試驗,高低溫應(yīng)力老化和常溫老化等全方位掌握儀表中的特性,使生產(chǎn)出的儀表波動范圍更小,儀表準確度更高。