论文部分内容阅读
[摘 要]热电偶是一种测量温度常见的元件，而它测量温度的范围比较大，结构以及原理非常简单，适用度比较高。它主要运用于电力生产行业以及其他工业领域。在电力生产以及工业生产的过程中，对于温度的控制调整有着非常重要的作用。而热电偶的动态校准以及动态补偿技术大大弥补了热电偶在生产过程中所存在的问题，及时控制与调整温度。
[关键词]热电偶；动态校准；动态补偿
中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0046-01
由于热电偶在电力生产领域以及其他工业领域有着重要的作用，在目前的测温系统中，热电偶是最为常见的测温传感装置。各国、各个电力生产领域对于热电偶的测温精度的标准越来越高，提高热电偶的精确度也显得尤为重要。温度在测量的情况下一般是瞬态的，而热电偶的热惯性对于测温有着较大的影响，因此出现了比较明显的温差现象，这种现象又叫做热电偶的动态误差。通过对热电偶的动态校准以及动态补偿，能够有效地提高测零温度的精确性，动态校准与动态补偿的过程，就需要对热电偶的动态响应特征以及传感装置的动态特性进行研究。在了解了热电偶的动态响应特性之后，才能了解其工作性能指标。如果其性能指标在热电偶的测温系统中不符合要求时候，就需要动态补偿技术的支持以及重新设计热电偶。本文主要介绍的是大功率激光器的热电偶动态校准体系，通过动态补偿来弥补热电偶的动态误差，从而获取更为准确的温度值。
1.热电偶及测温原理
1.1 热电偶的概念
热电偶就是一种测量温度的元件，在热电偶的测温过程中，通过产生的热电势将温度信号传达出来，从而获取被测对象的实际温度。
1.2 热电偶的测温原理
热电偶的测温原理主要是通过自身的材料决定的，热电偶主要是依靠两个导体或者半导体形成闭合回路，从而测量出温度的过程。热电偶在工作过程中，形成了热电势，而这种热电势和热电偶两端的温度不同。热电偶是有两种导体材料组成的，把这两种材料作为热点及，测温过程中，热端就是温度较高的一端，而温度较低的那一端则为冷端。通常情况冷端是在恒温的状态下，此时热电势的方向以及大小与两种导体的特性以及热端的温度有着直接的关系。而被测的温度与热电势有着固定的函数关系，因此只需测得热电势的大小，进而知道了温度的大小。热电势的问题还应注意以下内容：
（1） 热电偶的导体以及两端温度的差异，决定着热电势的范围；（2）热电势是材料两端温度形成函数的差；（3）恒温下，冷端温度保持一致，此时热电势是热端温度的单值函数。
1.3 热电偶测温的优点
热电偶在侧向温度时与其他测温仪器仪表相比有以下几种优点：
（1） 准确度高。一般热电偶采用的是误差较小的K分度热电偶，其I级误差在±0.4%t左右。（2）结构简单。热电偶的结构比较简单，利于维护和保养，它主要由点击、绝缘子、接线端子以经济护套几部分组成。（3）动态响应快。由于其结构比较简单，而在测温的时候相应的热电势产生不是太多，使得其动态响应速度比较快。（4）测温范围广。运用比较广泛的热电偶一般测量温度的范围在-50～1600℃之间，而有些热电偶最低测温值在-269℃，最高能够达到2800℃。
2.影响热电偶测温的因素
2.1 影响热电偶准确性的因素
由于熱电偶可以和其他仪表配合使用，热电偶可以测量任何形态下的物体温度，所以热电偶的运用非常广泛，在工作过程中所形成的非线性特性，它是随着热电势的增大而增大。因此在实际的测量时，影响热电偶准确性的两种因素是热电偶的线性化问题的处理以及冷端温度的补偿温度确定性问题。
2.2 影响热电偶稳定性的因素
（1） 热电偶中某些元素在使用过程中造成热电极的氧化与发挥；（2）热电极在使用过程中受外力影响产生变形；（3）热电偶在高温使热电极中的晶粒变大；（4）工作状态下热电极容易受损。
3.解决热电偶准确性及稳定性的方法
3.1 安装要求
（1）热电偶的安装位置应于地面保持垂直，尽量避免在高温下使保护套管缠身变形（2）如果被测物体有一定的流速，应将热电偶安装在管道的中心位置，并与该物体的流动方向相反；（3）若管道有弯曲的地方，应将热电偶安装在弯曲的位置；（4）平直安装时，其支架要用耐高温的材料。
3.2 材料要求
（1）热电偶的材料在感知温度的时候，一般都会产生热电势以及热电势率，热电势与温度形成线性关系的单值函数；（2）热电偶的材料能够适用于较广的温度范围以及其他各种条件；（3）热电偶的材料要具有教导的导电性，电阻以及热容量要小。
3.3 定期检查
（1） 热电偶的热电极应没有受损情况，且内部材料要合格均匀；（2）热电偶的电极有无氧化、腐蚀的现象；（3）热电偶的热端焊接位置应牢固、光滑、无残渣。
4.热电偶的动态校准
本文对于热电偶的动态校准主要是采用大功率的半导体激光器作为研究对象，它的结构组成如下图所示。
如上图所示，本系统利用的是大功率的半导体激光器通过发出动态的激励信号，将单脉冲的激光光束经过聚焦后，然后再经过校准屏蔽箱的输入窗口，被校准的热电偶通过加温，此时就会出现动态的反应过程，然后通过数据采集卡得出数据曲线。这时热电偶上的形成热扩散的现象，讲这种热扩散经过球面反射于另一个焦点的红外探测器的位置上，红外探测器此时就会经过数据采集卡输出曲线情况。此时，热电偶与红外探测器同时测温，红外探测器的时间常数一般低于10μs，热电偶的频率响应低于红外想探测器，所以通常情况下选择后者的值作为标准值，来校准热电偶的值，并根据动态存在的误差进行动态补偿。
5.动态补偿
为了解决热电偶存在温度不准确的情况，所以采用对热电偶的动态校准来纠正温度，在校准时，一定要考虑到动态补偿的问题。而热电偶的动态校准又分为三个部分，它主要由被校准温度传感器的静态校准和红外探测器、被校准温度传感器的动态校准和红外探测器以及瞬态下表面温度与红外探测器组成。在热电偶温度校准时，建立一个时间曲线图。上文中提到，红外探测器获取的值为准确的温度，通过热电偶和红外探测器的校准，建立一个动态补偿模型。通过这个模型可以获取一组函数，通过函数分析减小被校准温度的误差，最终实现对热电偶的动态补偿。
总结
由于热电偶的优点，使其在温度测量中被广泛运用。对于其存在的缺点，在实际的测量温度过程中，一定要通过系统的校准，对于细节一定要把握准确。通过了解热电偶的原理，选择在测量温度时合适的热电偶。结合实际情况，对被测物的温度进行分析比较，通过动态校准和动态补偿确定所需的实际温度。掌握正确的校准方法，加强自身的理论知识学习，才能确保工作中不会出现问题，才会避免质量故障的发生。
参考文献：
[1] 潘保青，李岩峰，张志杰.基于量子粒子群算法的热电偶动态校准及动态补偿技术研究[J].传感技术学报，2015，（07）：992-996.
[关键词]热电偶；动态校准；动态补偿
中图分类号：TH811 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）16-0046-01
由于热电偶在电力生产领域以及其他工业领域有着重要的作用，在目前的测温系统中，热电偶是最为常见的测温传感装置。各国、各个电力生产领域对于热电偶的测温精度的标准越来越高，提高热电偶的精确度也显得尤为重要。温度在测量的情况下一般是瞬态的，而热电偶的热惯性对于测温有着较大的影响，因此出现了比较明显的温差现象，这种现象又叫做热电偶的动态误差。通过对热电偶的动态校准以及动态补偿，能够有效地提高测零温度的精确性，动态校准与动态补偿的过程，就需要对热电偶的动态响应特征以及传感装置的动态特性进行研究。在了解了热电偶的动态响应特性之后，才能了解其工作性能指标。如果其性能指标在热电偶的测温系统中不符合要求时候，就需要动态补偿技术的支持以及重新设计热电偶。本文主要介绍的是大功率激光器的热电偶动态校准体系，通过动态补偿来弥补热电偶的动态误差，从而获取更为准确的温度值。
1.热电偶及测温原理
1.1 热电偶的概念
热电偶就是一种测量温度的元件，在热电偶的测温过程中，通过产生的热电势将温度信号传达出来，从而获取被测对象的实际温度。
1.2 热电偶的测温原理
热电偶的测温原理主要是通过自身的材料决定的，热电偶主要是依靠两个导体或者半导体形成闭合回路，从而测量出温度的过程。热电偶在工作过程中，形成了热电势，而这种热电势和热电偶两端的温度不同。热电偶是有两种导体材料组成的，把这两种材料作为热点及，测温过程中，热端就是温度较高的一端，而温度较低的那一端则为冷端。通常情况冷端是在恒温的状态下，此时热电势的方向以及大小与两种导体的特性以及热端的温度有着直接的关系。而被测的温度与热电势有着固定的函数关系，因此只需测得热电势的大小，进而知道了温度的大小。热电势的问题还应注意以下内容：
（1） 热电偶的导体以及两端温度的差异，决定着热电势的范围；（2）热电势是材料两端温度形成函数的差；（3）恒温下，冷端温度保持一致，此时热电势是热端温度的单值函数。
1.3 热电偶测温的优点
热电偶在侧向温度时与其他测温仪器仪表相比有以下几种优点：
（1） 准确度高。一般热电偶采用的是误差较小的K分度热电偶，其I级误差在±0.4%t左右。（2）结构简单。热电偶的结构比较简单，利于维护和保养，它主要由点击、绝缘子、接线端子以经济护套几部分组成。（3）动态响应快。由于其结构比较简单，而在测温的时候相应的热电势产生不是太多，使得其动态响应速度比较快。（4）测温范围广。运用比较广泛的热电偶一般测量温度的范围在-50～1600℃之间，而有些热电偶最低测温值在-269℃，最高能够达到2800℃。
2.影响热电偶测温的因素
2.1 影响热电偶准确性的因素
由于熱电偶可以和其他仪表配合使用，热电偶可以测量任何形态下的物体温度，所以热电偶的运用非常广泛，在工作过程中所形成的非线性特性，它是随着热电势的增大而增大。因此在实际的测量时，影响热电偶准确性的两种因素是热电偶的线性化问题的处理以及冷端温度的补偿温度确定性问题。
2.2 影响热电偶稳定性的因素
（1） 热电偶中某些元素在使用过程中造成热电极的氧化与发挥；（2）热电极在使用过程中受外力影响产生变形；（3）热电偶在高温使热电极中的晶粒变大；（4）工作状态下热电极容易受损。
3.解决热电偶准确性及稳定性的方法
3.1 安装要求
（1）热电偶的安装位置应于地面保持垂直，尽量避免在高温下使保护套管缠身变形（2）如果被测物体有一定的流速，应将热电偶安装在管道的中心位置，并与该物体的流动方向相反；（3）若管道有弯曲的地方，应将热电偶安装在弯曲的位置；（4）平直安装时，其支架要用耐高温的材料。
3.2 材料要求
（1）热电偶的材料在感知温度的时候，一般都会产生热电势以及热电势率，热电势与温度形成线性关系的单值函数；（2）热电偶的材料能够适用于较广的温度范围以及其他各种条件；（3）热电偶的材料要具有教导的导电性，电阻以及热容量要小。
3.3 定期检查
（1） 热电偶的热电极应没有受损情况，且内部材料要合格均匀；（2）热电偶的电极有无氧化、腐蚀的现象；（3）热电偶的热端焊接位置应牢固、光滑、无残渣。
4.热电偶的动态校准
本文对于热电偶的动态校准主要是采用大功率的半导体激光器作为研究对象，它的结构组成如下图所示。
如上图所示，本系统利用的是大功率的半导体激光器通过发出动态的激励信号，将单脉冲的激光光束经过聚焦后，然后再经过校准屏蔽箱的输入窗口，被校准的热电偶通过加温，此时就会出现动态的反应过程，然后通过数据采集卡得出数据曲线。这时热电偶上的形成热扩散的现象，讲这种热扩散经过球面反射于另一个焦点的红外探测器的位置上，红外探测器此时就会经过数据采集卡输出曲线情况。此时，热电偶与红外探测器同时测温，红外探测器的时间常数一般低于10μs，热电偶的频率响应低于红外想探测器，所以通常情况下选择后者的值作为标准值，来校准热电偶的值，并根据动态存在的误差进行动态补偿。
5.动态补偿
为了解决热电偶存在温度不准确的情况，所以采用对热电偶的动态校准来纠正温度，在校准时，一定要考虑到动态补偿的问题。而热电偶的动态校准又分为三个部分，它主要由被校准温度传感器的静态校准和红外探测器、被校准温度传感器的动态校准和红外探测器以及瞬态下表面温度与红外探测器组成。在热电偶温度校准时，建立一个时间曲线图。上文中提到，红外探测器获取的值为准确的温度，通过热电偶和红外探测器的校准，建立一个动态补偿模型。通过这个模型可以获取一组函数，通过函数分析减小被校准温度的误差，最终实现对热电偶的动态补偿。
总结
由于热电偶的优点，使其在温度测量中被广泛运用。对于其存在的缺点，在实际的测量温度过程中，一定要通过系统的校准，对于细节一定要把握准确。通过了解热电偶的原理，选择在测量温度时合适的热电偶。结合实际情况，对被测物的温度进行分析比较，通过动态校准和动态补偿确定所需的实际温度。掌握正确的校准方法，加强自身的理论知识学习，才能确保工作中不会出现问题，才会避免质量故障的发生。
参考文献：
[1] 潘保青，李岩峰，张志杰.基于量子粒子群算法的热电偶动态校准及动态补偿技术研究[J].传感技术学报，2015，（07）：992-996.