多种热电偶测温方式对比研究分析

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　　摘 要：核反应堆研发相关热工水力与安全实验多采用热电偶进行温度测量，要获得准确的温度数值，还需要进行冷端补偿，并通过一定的硬件将热电偶的mV电动势信号转化为具体的温度值；该研究的目的是探索采用4种温度测量方式对标准温度源和冰点进行测量实验，并對测量结果进行分析比较，找到不同测量方式的优缺点以搭配出在不同场合环境下适宜的测量方案。
　　关键词：热电偶测温；冷端补偿；测量
　　中图分类号：TH811 文献标志码：A
　　1 4种温度测量方法
　　1.1 PXIe板载电阻测量
　　使用PXIe-4353采集是常见的 PXIe板载电阻测量方法。简易原理流程如下：
　　热电偶→接线盒热敏电阻冷端补偿→PXIe温度采集卡
　　通过查询NI手册可知，冷端补偿误差最大可达到0.5 ℃，综合测量误差在100 ℃（T型热电偶）环境下，达到0.69 ℃；100 ℃（N型热电偶）达到0.78 ℃。
　　1.2 冰点补偿
　　使用冰点补偿进行温度采集，仍需要利用PXIe-4353的AD转换模块。简易原理流程如下。
　　热电偶→冰水混合物做冷端→PXIe温度采集卡
　　冰点补偿方式误差集中在2个部分，冰点的误差及AD的误差，冰点温度无法保证在绝对零度，实际测量温度在0.2 ℃左右，由于PXIe-4353未给出具体的A/D误差参数表，将A/D误差简单地理解为综合误差减去零点误差，即综合测量误差在100 ℃（T型热电偶）环境下，达到0.39 ℃；在100 ℃（N型热电偶）达到0.48 ℃。
　　1.3 SCXI温度采集卡测量
　　SCXI温度采集卡测量采集方式采用PXI-6255等M系列采集卡采集，SCXI系列信号处理设备进行冷端补偿、信号转换。简易原理流程如下：热电偶→SCXI做冷端及信号转换→M系列电压采集卡冷端补偿模块SCXI-1328冷端补偿精度最大0.9 ℃；信号处理模块SCXI-1125，不考虑零点漂移（实时进行自校准），最大误差取55.725 uV；N型、T型热电偶均为40 uV/℃左右的误差，引入约1.3 ℃误差；M系列数据采集卡只用于A/D转换，不涉及温度变换，因此只需考虑其分辨率偏差，对比上述冷端补偿精度及误差，可忽略不计。SCXI温度采集卡测量，将引入最大2.2 ℃误差。
　　1.4 温度变送器测量
　　使用温度变送器进行冷端补偿，并将mV信号转换为标准电压信号，使用PXI-6255等电压采集卡进行采集。简易原理图如下。
　　热电偶→隔离模块转换为1-5V→M系列电压采集卡
　　选用菲尼克斯的温度变送模块，参考其产品手册，隔离模块电压转换有0.1 %×600 K的误差，假定为0.6 ℃，冷端补偿误差为2 ℃；使用M系列数据采集卡（如PXI-6255）采集，采集误差最大在1 mV左右，转为温度即0.125 ℃；最大误差为2.725 ℃。综合以上可得表1。
　　在考虑在最恶劣的环境下，100 ℃温度测量时的最大误差，实际测量精度会优于表1。
　　2 实验测试
　　标准温度源：采用恒温水槽，设定温度60 ℃，恒温水槽经过标定，精度为±0.01 ℃；再使用标准铂电阻作为测量对比，精度为±0.02 ℃；冰点：使用冰水混合物，用标准铂电阻测量零点温度；热电偶：使用标定过的N/T型两类热电偶；测量方式：采用冰点测量、PXIe4353板载热敏电阻补偿测量、SCXI板载热敏电阻测量、温度变送器（隔离模块）转换温度测量4种测量方式进行测量。
　　3 实验结果（图1、表2）
　　4 结果分析
　　T型热电偶测量，采用冰点补偿精度最高，最接近实际温度；
　　N型热电偶测量采用冰点补偿，测量误差不如板载热敏电阻测量；是由于N型热电偶在低温环境下精度较低，板载热敏电阻的误差与热电偶本身误差互相抵消一部分导致的。
　　隔离模块（温度变送器）测温，波动较大，精度也不高。
　　采用SCXI或者PXIe 直接采集，误差差距不大；在室温控制较好的情况下，与冰点补偿精度差距不大。
　　5 优劣对比（见表3）
　　6 结语
　　该文针对多种温度测量方式对标准温度源和冰点进行测量实验结果进行了分析，对于温度测量要求极高的测量场合，建议采用冰点补偿；对于要求精度不高，不带电测量时，建议采用PXIe自带热敏电阻测量；对于要求通道间隔离的场合，建议使用SCXI设备采集；对于隔离模块温度采集，可用于对精度要求不高、对响应时间要求不高的场合。该文的实验结果亦可为其他温度测量研究提供理论分析依据。
　　参考文献
　　[1]吴永生，方可人.热工测量及仪表（第二版）[M].北京：中国电力出版社，1995.
　　[2]张红莉.关于补偿导线在温度测量中的使用问题[J].计量与测试技术，2008（3）：19-20.
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