CN105606244B - 无温度补偿热电偶测温方法 - Google Patents

Abstract

无温度补偿热电偶测温方法，选用两支热电性质不同的热电偶，利用两支热电偶的热电势—温度分度表，建立两支热电偶的双端同温即两工作端同温且两自由端也同温热电势—温度二维分度表或温度‑热电势双曲线；将两支热电偶的两个工作端置于同一温度测点或使其具有相同的测点温度，同时使两支热电偶的两个自由端也始终具有相同的温度；测量两只热电偶输出的两热电势值，可根据两热电势值从热电势—温度二维分度表或温度—热电势双曲线找出对应的工作端及自由端温度；本发明方法可以同时测量具有相同工作端温度及相同自由端温度的两支热电偶的工作端及自由端温度而无需温度补偿。

Description

无温度补偿热电偶测温方法

技术领域

本发明属于热电偶测温技术领域，具体涉及一种无需温度补偿的热电偶测温方法。

背景技术

由热电偶测温的原理知道，只有当热电偶自由端温度保持不变时，热电势才是被测温度的单值函数。自由端温度的选择以及波动的大小直接影响着温度测量的准确性和可靠性，因此必须对自由端温度采取措施加以处理。目前对自由端温度的处理主要有以下几种方法：

1.定点法

定点法也叫恒温法，即把自由端置于恒温器中，使其维持在一恒定温度下，最常用的恒定温度是0℃。定点法是一种精度很高的自由端温度处理方法。由于此方法处理比较麻烦，工程实际中应用很不方便，因此仅限于实验室之用。

2.修正法

当自由端温度恒定，但恒定温度不是分度表的定点温度(0℃或0°K)时，可以采用此法予以修正。由热电偶中间温度定律可知，当自由端温度T₀≠0时，热电偶输出的电势E(T,T₀)不能直接反映温度T，必须先确定E(T₀,0)，得到E(T₀,0)再与E(T,T₀)叠加后确定T，从而消除自由端温度对工作端测温的影响。

3.补偿器法

对于室温以上的温度测量，T₀越高，热电偶回路产生的热电势绝对值也就越小，反之就越大。在工业应用中，有时将自由端置于室温环境，环境温度的变化对测温会造成一定影响。如果在热电偶回路中串联一电势U＝E(t₀,0)，使产生的总电势E(T，273.15)维持不变，如图1所示。这一附加的电势可以用一不平衡电桥来实现，不平衡电桥的输出电压随环境温度上升而上升，如图2所示。桥臂电阻R₁、R₂、R₃和限流电阻R_S均用锰铜丝绕制，其电阻值几乎不随温度变化。R_Cu为铜电阻，其阻值随温度升高而增大，处于补偿温度时(如0℃)，电桥四个臂的电阻R₁＝R₂＝R₃＝R_Cu，此时电桥平衡，ab端无电压输出。当自由端温度t₀离开补偿温度，例如升高为t₀'时，热电偶输入的热电势数值要减小E(t₀',t₀)。同时电桥中的桥臂电阻R_Cu随温度上升而增大，使电桥失去平衡，输出电压U_ab。如果U_ab与E(t₀',t₀)数值相等，二者迭加后保证E(t,t₀)不变，就会起到自由端温度变化的自行补偿作用。

实际上，由于热电偶的热电特性和补偿电桥输出特性并非完全一致，使得在补偿范围内一般只有在个别温度下能完全补偿，在其它温度时只能得到部分补偿。如果将补偿点取在测量范围的中间，则会得到全温区的最佳补偿效果。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种无需温度补偿的热电偶测温方法，采用两支热电性质不同的热电偶测量同一温度的方法，可以实现无需温度补偿的热电偶测温。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种无温度补偿热电偶测温方法，包括如下步骤：步骤1和步骤2选其一；

步骤1：热电势-温度二维分度表建立过程，具体包括如下步骤：

(1)分别建立两支热电性质不同的热电偶在同一固定自由端温度(如0摄氏度)下的温度-热电势分度表；

(2)列写一种工作端温度值及其对应自由端温度值的组合，根据步骤(1)的两个分度表找出对应的两支热电偶输出的热电势值；

(3)重复步骤(2)直至列写出所有需要的工作端温度值-自由端温度值的组合及对应两支热电偶输出热电势值并分别整理成自由端温度值-工作端温度值-热电势1-热电势2分度表；

(4)根据步骤(3)获得的表，写出上述两支热电偶在具有相同工作端温度及相同自由端温度情况下的以下表：两组热电势值及其对应的相同工作端温度二维分度表和两组热电势及其对应的相同自由端温度二维分度表即两个热电势—温度二维分度表，表的形式可参见具体实施方式1中的表1；

步骤2：温度-热电势双曲线建立过程，具体如下：

以温度为横轴或纵轴，以热电势为纵轴或横轴在同一坐标系下绘制两支热电性质不同的热电偶在同一固定自由端温度下的两条温度-热电势拟合曲线即温度-热电势双曲线；

步骤3：测温过程，具体包含以下步骤：

(1)将两支热电性质不同的热电偶的两工作端置于同一温度测点或使其具有相同的测点温度值；

(2)将两支热电性质不同的热电偶的自由端置于同一环境温度点或使其具有相同的测点温度值；

(3)测量并读出两支热电偶各自的热电势；

(4)从步骤1得到的热电势—温度二维分度表中或步骤2得到的温度-热电势双曲线查找出对应的相同工作端温度及相同自由端温度。

所述两支热电性质不同的热电偶的连接方式采用方式1或方式2的连接方式：

方式1：

(1)两支热电性质不同的热电偶的工作端(t2区域内)必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(2)两支热电性质不同的热电偶的自由端(t1区域内)必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(3)两支热电性质不同的热电偶的自由端用导线引出连接测电势的仪表；

方式2：

(1)两支热电性质不同的热电偶的工作端(t2区域内)必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(2)两支热电性质不同的热电偶的自由端(t1区域内)必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(3)两支热电性质不同的热电偶的回路用导线引出连接测电势的仪表。

进一步的，所述两支热电性质不同的热电偶可共用一个热电极。

和现有技术相比，本发明的优点如下：

1)使用了两支热电性质不同的热电偶，两支热电偶的自由端被置于相同的环境温度测点或具有相同的温度值，两支热电偶的工作端也处于相同的温度测点或具有相同的温度值。两支热电偶与其对应的二维分度表配合使用，可同时得到自由端温度及工作端温度值，无需进行温度补偿。

2)本发明所述热电偶的测温方法基于不同热电偶具有不同的非线性热电性质，使两支热电性质不同的热电偶具有相同的自由端温度和相同的工作端温度，当其输出的两个热电势值确定时，如果其热电性质满足原理部分的条件，两支热电偶的工作端及自由端温度可以唯一确定。通过查询其对应的二维分度表，可以找出工作端及自由端温度值。二维分度表可根据两支热电偶各自的分度表建立。

附图说明

图1为现有补偿电桥法自由端温度处理方法1示意图。

图2为现有补偿电桥法自由端温度处理方法2示意图。

图3为本发明热电偶连接方式1示意图。

图4为本发明热电偶连接方式2示意图。

图5为温度-热电势双曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图3所示，本发明所涉及的第一种热电偶连接方式，两支热电性质不同的热电偶E_AB和E_CD自由端均具有相同的温度值t₁且其工作端也均具有同一温度值t₂。两支热电偶的自由端与仪表之间的连接可使用一般导线，导线与热电偶自由端的两个接点应保持同温，且应保持两热电偶的两自由端温度相同。

如图4所示，本发明所涉及的第二种热电偶连接方式，两支热电性质不同的热电偶E_AB和E_CD自由端均具有相同的温度值t₁且其工作端也均具有同一温度值t₂。可从热电偶的某一热电极引出连接仪表的连线，连线可以是电极材料本身也可是一般导线，但需保证导线与电极的两个连接点温度相同。使用以上两种连接，两支热电偶都将如图5所示分别输出e1和e2两个热电势(图5中横坐标为温度t，纵坐标为输出热电势e，原点对应温度为0摄氏度、0伏特)。假设热电偶E_AB、E_CD的热电性质分别为图5中曲线f₁、f₂所示，有：

e₁＝f₁(t₂)-f₁(t₁) (1)

e₂＝f₂(t₂)-f₂(t₁) (2)

如果f1、f2为单调函数则有：

(3)

式中为f₁的反函数；

将式(3)代入式(2)可得：

(4)

同理可得：

(5)

对于式(4)当等号右边不出现含t₂的项对消情况下，可根据e₁、e₂的值计算出t₂；同理可计算出t₁。

例如f₁＝t，f₂＝t²可得：

通常情况下不能得到t₁、t₂，的解析解，但由上例可知e₁、e₂对应确定的t₁、t₂，由此可制作对应的二维分度表从而确定t₁、t₂。

具体实施方式1

(1)分别建立两支热电性质不同的热电偶在同一固定自由端温度下的温度-热电势分度表；

(2)列写一种工作端温度值-自由端温度值的组合，根据步骤(1)中获得的的两个分度表找出对应的两支热电偶输出的热电势值；

(3)重复步骤(2)直至列写出所有需要的工作端温度值-自由端温度值的组合及对应两支热电偶输出热电势值并整理成表；

(4)将步骤(3)获得的表改写成双热电势值及其对应的同温工作端温度二维分度表和双热电势及其对应的同温自由端温度二维分度表即两个热电势—温度二维分度表；热电势—温度二维分度表具有表1的形式：

表1热电势—温度二维分度表

(5)将两支热电偶的两工作端置于同一温度测点；

(6)将两支热电偶的两自由端置于同一环境温度点；

(7)测量并读出两支热电偶各自的热电势；

(8)从热电势—温度二维分度表中查找出对应的工作端及自由端温度。

具体实施方式2

(1)以温度为横轴或纵轴，以热电势为纵轴或横轴在同一坐标系下绘制两支热电性质不同的热电偶在同一固定自由端温度下的温度-热电势拟合曲线即温度-热电势双曲线f1、f2如图5所示；

(2)将两支热电偶的两工作端置于同一温度测点；

(3)将两支热电偶的自由端置于同一环境温度点；

(4)测量并读出两支热电偶各自的热电势值e1、e2；

(5)以图3中的原点为起点即令t1＝0读取纵轴e1处f1曲线上t2的值；

(6)根据t2的值读取f2曲线上对应的热电势e2*值；

(7)如果e2＝e2*，则t1、t2即为对应的自由端和工作端温度，否则上移步骤(5)中的起点并重复步骤(5)-步骤(7)。

Claims (3)

1.一种无温度补偿热电偶测温方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1和步骤2选其一；

步骤1：热电势-温度二维分度表建立过程，具体包括如下步骤：

(1)分别建立两支热电性质不同的热电偶在同一固定自由端温度下的温度-热电势分度表；

(2)列写一种工作端温度值及其对应自由端温度值的组合，根据步骤(1)的两个分度表找出对应的两支热电偶输出的热电势值；

(3)重复步骤(2)直至列写出所有需要的工作端温度值-自由端温度值的组合及对应两支热电偶输出热电势值并整理成自由端温度值-工作端温度值-热电势1-热电势2分度表；

(4)根据步骤(3)获得的表，写出上述两支热电偶在具有相同工作端温度及相同自由端温度情况下的以下表：两组热电势值及其对应的相同工作端温度二维分度表和两组热电势及其对应的相同自由端温度二维分度表即两个热电势—温度二维分度表；

步骤2：温度-热电势双曲线建立过程，具体如下：

以温度为横轴或纵轴，以热电势为纵轴或横轴在同一坐标系下绘制两支热电性质不同的热电偶在同一固定自由端温度下的两条温度-热电势拟合曲线即温度-热电势双曲线；

步骤3：测温过程，具体包含以下步骤：

(1)将两支热电性质不同的热电偶的两工作端置于同一温度测点或使其具有相同的测点温度值；

(2)将两支热电性质不同的热电偶的自由端置于同一环境温度点或使其具有相同的测点温度值；

(3)测量并读出两支热电偶各自的热电势；

(4)从步骤1得到的热电势—温度二维分度表中或步骤2得到的温度-热电势双曲线查找出对应的相同工作端温度及相同自由端温度。

2.根据权利要求1所述的一种无温度补偿热电偶测温方法，其特征在于：所述两支热电性质不同的热电偶的连接方式采用方式1或方式2的连接方式：

方式1：

(1)两支热电性质不同的热电偶的工作端即t2区域内必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(2)两支热电性质不同的热电偶的自由端即t1区域内必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(3)两支热电性质不同的热电偶的自由端用导线引出连接测电势的仪表；

方式2：

(1)两支热电性质不同的热电偶的工作端即t2区域内必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(2)两支热电性质不同的热电偶的自由端即t1区域内必须同温，在此条件下处于相同的测点位置或处于不同的测点位置；

(3)两支热电性质不同的热电偶的回路用导线引出连接测电势的仪表。

3.根据权利要求1所述的一种无温度补偿热电偶测温方法，其特征在于：所述两支热电性质不同的热电偶共用一个热电极。