橫河大學資深專家7月7日開講：橫河記錄儀實用溫度測量原理及技巧！記錄儀在工業現場和科研中有廣泛運用，溫度測試是重要需求之一，而且應用場景豐富。2020年7月7日，橫河大學正式開播，記錄儀測試專家馮越路博士在線分享多年現場實測的經驗，觀眾反響甚好！

基于熱電偶的測溫原理，冷端補償是熱電偶測溫時的必須要素，但在實際應用中卻很容易被忽略，如何保證冷端補償的精度是保證熱電偶測溫精度的一個重要考量。另外，在快速溫度測量應用中，我們往往對采集器等二次儀表的采樣周期很關注，但是卻忽略了與之匹配的熱電偶的響應時間，錯誤選取熱電偶從而影響實際測溫效果。以下我們對冷端補償和熱電偶響應時間的相關內容做一個簡要說明。

冷端補償

冷端補償主要分為內部補償和外部補償。內部補償原理圖如圖1所示。

圖1 內部補償原理

內部補償即記錄儀等二次儀表提供冷端補償，為了保證內部冷端補償精度，除了采用高精度的測溫傳感器以外，如何實現端子等溫化也非常重要。橫河記錄儀通過溫度傳感器(晶體管)的最佳配置和使用金屬芯印制板的制作工藝(見圖2)保證端子等溫化。即便如此，當端子(測量儀表)放置環境溫度產生劇烈變化，對熱電偶測溫結果也會產生較大的影響，因此，保證測量儀表放置環境穩定至關重要。

圖2 金屬芯印制板工藝

外部冷端補償原理如圖3。可以使用外置電子冰點補償器(ZERO-CON)進一步提高測溫精度。注意外置補償器和測量儀器之間的接線是普通導線而非熱電偶線。

圖3 外部補償原理

熱電偶響應時間

熱電偶響應時間主要由熱電偶線徑和熱電偶前端加工類型決定。熱電偶前端類型如圖4主要有露出型、接地型和絕緣型三種。

圖4 熱電偶前端類型比較

可見較常用的絕緣型熱電偶和其他兩種相比響應時間較慢，但是在抗干擾性方面有優勢。熱電偶前端加工類型和線徑與響應時間的定量關系，不同溫度傳感器廠家有其特定的描述。例如圖5是美國OMEGA熱電偶(接地型/露出型)在特定測試條件下的線徑和響應時間對應關系。若是選擇絕緣型熱電偶，響應時間常數應乘以1.5。響應時間定義為達到瞬時溫度變化63.2%所需的時間。測試條件為室溫、大氣壓力下空氣流速為每秒20m。在高速測溫的應用中，測量儀器采樣時間和熱電偶的響應時間要互相匹配。

圖5 OMEGA熱電偶線徑和響應時間對應關系

熱電偶測溫的抗干擾問題

使用熱電偶測溫經常會遇到電氣干擾的困擾。一方面，近年由于變頻電源在各行各業的普及，測試環境變得越來越嚴酷。另一方面，熱電偶溫度變化所產生的熱電勢很小，因此與熱電阻等其他傳感器相比更容易受到電氣干擾的影響。

圖6是常用變頻器等效回路圖，可以看到同時存在三種干擾源，50Hz的商用電源，脈寬調制(PWM)產生的高頻脈沖干擾(電力密度較高)，和低頻變頻干擾。

圖6 變頻器等效回路圖

橫河的測量儀表所提供的抑制干擾功能包括

a.積分A/D

b.一階低通濾波

c.通道獨立A/D模塊

積分A/D顧名思義是指對模擬信號進行特定時間積分運算后再進行A/D變換。可針對不同的工頻(50Hz/60Hz)干擾源，設置合適的積分時間(測量周期)以達到抑制效果。積分A/D抑制干擾示意圖如圖7所示

圖7 積分A/D抑制干擾示意圖

當干擾信號頻率和A/D積分周期不匹配時，干擾影響無法只通過“積分”抑制。因此，橫河高速模塊提供濾波功能，通過調整一階低通濾波器的截止頻率，結合A/D積分可抑制高頻干擾源的影響。但是濾波會使測量結果產生一定的滯后，因此常用于穩態溫度測試。A/D積分結合一階低通濾波器抑制干擾示意圖如圖8所示。

圖8 積分A/D結合一階低通濾波器示意圖

目前市場上常見的數據采集儀器多為掃描型，即多個通道共用一個A/D，通過繼電器分時切換。掃描型最大的優點是節約成本，而缺點是采集速度受限且通道間切換易受干擾影響。橫河推出通道獨立A/D模塊(如圖9)，每個測量通道使用獨立A/D轉換器，提高抗干擾性的同時大幅提高了共模耐壓。

圖9 獨立A/D模塊回路示意圖

除了記錄儀提供的抑制干擾的方法以外，用戶在實際測試過程中可通過一些方法來減少干擾的影響。例如可使用絕緣膠帶將被測物與熱電偶前端隔離；將信號源和記錄儀通過等電位化來去除地電流所產生的的電勢差；還有使用絞合屏蔽熱電偶線，可抑制熱電偶布線時的靜電耦合干擾。

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