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橫河大學(xué)：實(shí)用溫度測(cè)量原理及技巧

2021-03-02 17:03:05·  來(lái)源：橫河測(cè)試測(cè)量  作者：YOKOGAWA  
　
記錄儀在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和科研中有廣泛運(yùn)用，溫度測(cè)試是重要需求之一，而且應(yīng)用場(chǎng)景豐富。2020年7月7日，橫河大學(xué)正式開(kāi)播，記錄儀測(cè)試專家馮越路博士在線分享多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，觀眾反響甚好！本期采擷部分內(nèi)容發(fā)表，以供參考。有關(guān)橫河大學(xué)的培訓(xùn)詳情和更多視頻
記錄儀在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和科研中有廣泛運(yùn)用，溫度測(cè)試是重要需求之一，而且應(yīng)用場(chǎng)景豐富。2020年7月7日，橫河大學(xué)正式開(kāi)播，記錄儀測(cè)試專家馮越路博士在線分享多年現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)，觀眾反響甚好！本期采擷部分內(nèi)容發(fā)表，以供參考。有關(guān)橫河大學(xué)的培訓(xùn)詳情和更多視頻資料，請(qǐng)聯(lián)系我們。

基于熱電偶的測(cè)溫原理，冷端補(bǔ)償是熱電偶測(cè)溫時(shí)的必須要素，但在實(shí)際應(yīng)用中卻很容易被忽略，如何保證冷端補(bǔ)償?shù)木仁潜ＷC熱電偶測(cè)溫精度的一個(gè)重要考量。另外，在快速溫度測(cè)量應(yīng)用中，我們往往對(duì)采集器等二次儀表的采樣周期很關(guān)注，但是卻忽略了與之匹配的熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，錯(cuò)誤選取熱電偶從而影響實(shí)際測(cè)溫效果。以下我們對(duì)冷端補(bǔ)償和熱電偶響應(yīng)時(shí)間的相關(guān)內(nèi)容做一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。

冷端補(bǔ)償

冷端補(bǔ)償主要分為內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償。內(nèi)部補(bǔ)償原理圖如圖1所示。
 
圖1 內(nèi)部補(bǔ)償原理
內(nèi)部補(bǔ)償即記錄儀等二次儀表提供冷端補(bǔ)償，為了保證內(nèi)部冷端補(bǔ)償精度，除了采用高精度的測(cè)溫傳感器以外，如何實(shí)現(xiàn)端子等溫化也非常重要。橫河記錄儀通過(guò)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(jiàn)圖2)保證端子等溫化。即便如此，當(dāng)端子(測(cè)量?jī)x表)放置環(huán)境溫度產(chǎn)生劇烈變化，對(duì)熱電偶測(cè)溫結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此，保證測(cè)量?jī)x表放置環(huán)境穩(wěn)定至關(guān)重要。
圖2 金屬芯印制板工藝
外部冷端補(bǔ)償原理如圖3?？梢允褂猛庵秒娮颖c(diǎn)補(bǔ)償器(ZERO-CON)進(jìn)一步提高測(cè)溫精度。注意外置補(bǔ)償器和測(cè)量?jī)x器之間的接線是普通導(dǎo)線而非熱電偶線。
圖3 外部補(bǔ)償原理
 
熱電偶響應(yīng)時(shí)間

熱電偶響應(yīng)時(shí)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(jiàn)較常用的絕緣型熱電偶和其他兩種相比響應(yīng)時(shí)間較慢，但是在抗干擾性方面有優(yōu)勢(shì)。熱電偶前端加工類型和線徑與響應(yīng)時(shí)間的定量關(guān)系，不同溫度傳感器廠家有其特定的描述。例如圖5是美國(guó)OMEGA熱電偶(接地型/露出型)在特定測(cè)試條件下的線徑和響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系。若是選擇絕緣型熱電偶，響應(yīng)時(shí)間常數(shù)應(yīng)乘以1.5。響應(yīng)時(shí)間定義為達(dá)到瞬時(shí)溫度變化63.2%所需的時(shí)間。測(cè)試條件為室溫、大氣壓力下空氣流速為每秒20m。在高速測(cè)溫的應(yīng)用中，測(cè)量?jī)x器采樣時(shí)間和熱電偶的響應(yīng)時(shí)間要互相匹配。
圖5 OMEGA熱電偶線徑和響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系
 
熱電偶測(cè)溫的抗干擾問(wèn)題

使用熱電偶測(cè)溫經(jīng)常會(huì)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(yè)的普及，測(cè)試環(huán)境變得越來(lái)越嚴(yán)酷。另一方面，熱電偶溫度變化所產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(shí)存在三種干擾源，50Hz的商用電源，脈寬調(diào)制(PWM)產(chǎn)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(cè)量?jī)x表所提供的抑制干擾功能包括
  1. 積分A/D
  2. 一階低通濾波
  3. 通道獨(dú)立A/D模塊
積分A/D顧名思義是指對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行特定時(shí)間積分運(yùn)算后再進(jìn)行A/D變換?？舍槍?duì)不同的工頻(50Hz/60Hz)干擾源，設(shè)置合適的積分時(shí)間(測(cè)量周期)以達(dá)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(dāng)干擾信號(hào)頻率和A/D積分周期不匹配時(shí)，干擾影響無(wú)法只通過(guò)“積分”抑制。因此，橫河高速模塊提供濾波功能，通過(guò)調(diào)整一階低通濾波器的截止頻率，結(jié)合A/D積分可抑制高頻干擾源的影響。但是濾波會(huì)使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生一定的滯后，因此常用于穩(wěn)態(tài)溫度測(cè)試。A/D積分結(jié)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(jié)合一階低通濾波器示意圖
目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的數(shù)據(jù)采集儀器多為掃描型，即多個(gè)通道共用一個(gè)A/D，通過(guò)繼電器分時(shí)切換。掃描型最大的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約成本，而缺點(diǎn)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(dú)立A/D模塊(如圖9)，每個(gè)測(cè)量通道使用獨(dú)立A/D轉(zhuǎn)換器，提高抗干擾性的同時(shí)大幅提高了共模耐壓。
 
除了記錄儀提供的抑制干擾的方法以外，用戶在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中可通過(guò)一些方法來(lái)減少干擾的影響。例如可使用絕緣膠帶將被測(cè)物與熱電偶前端隔離；將信號(hào)源和記錄儀通過(guò)等電位化來(lái)去除地電流所產(chǎn)生的的電勢(shì)差；還有使用絞合屏蔽熱電偶線，可抑制熱電偶布線時(shí)的靜電耦合干擾。

橫河大學(xué)
橫河以產(chǎn)品和質(zhì)量享譽(yù)全球，更以優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，獲得信賴。橫河大學(xué)傳承百年技術(shù)積淀，匯聚20年一線經(jīng)驗(yàn)，呈現(xiàn)經(jīng)典案例，演繹細(xì)節(jié)操作，為您提供一站式測(cè)試專業(yè)培訓(xùn)。您可以選擇不同形式參與橫河大學(xué)的學(xué)習(xí)，教室培訓(xùn)、現(xiàn)場(chǎng)培訓(xùn)或數(shù)字培訓(xùn)、在線培訓(xùn)，滿足您隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)的需求。系統(tǒng)化的課程體系，幫助您更深入地理解各類測(cè)試的原理和技巧。我們?cè)概c客戶共同成長(zhǎng)，讓橫河大學(xué)成為新一代通用測(cè)試和光通信測(cè)試專家的搖籃！
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