热电偶测温原理及线性化处理

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热电偶作为测温元件 ，其结构简单、制造容易、使用方便、测温精度较高，可就地测量和远传。目前约有50%的工程温度测控工作是用热 电偶来完成的，特别是在钢铁、有色金属、火力发电站、航空发动机、原子能反应堆 、石油精炼、化工、机械热处理等高温领域中，热电偶是最主要的测温手段。

热电偶传感器是利用 热 电效应”制成的，利用两种不同导体组成闭合回路。当闭合回路的两接点也就是热电偶的工作端和自由端分别处于不同的温度场中时，回路中将会产生电动势，产生的电动势只与工作端和自由端的温度差有关。由于热电偶产生的热电动势与两端温度有关，只需将冷端的温度恒定，热电动势与热端温度构成单值函数。

在实际应用中，热电偶的冷端通晨近被测对象，旦受到周 围环境温度的影响，其温度不是恒定不变的，因此必须采取-些相应的措施进行补偿，补偿导线法是将热电偶 的冷端延伸到温度恒定的场所，相 当于将热电极延长，根据热电偶回路中接入第三种导体，只要导体两端接点温度相同，回路 中总的热电动势保持不变，这样只要热电偶和补偿导线的两个接点温度-致，就不会影响热电动势的输出。

二、热电偶测温原理热 电偶是热电偶温度计的敏感元件，它测温的基本原理是热电效应，又称塞贝克效应。如图2.1所示 ，把两种不同的导体 (或半导体)A和B连接成闭合回路。

图2.1热电偶结构图当两接点i与2的温度不同时，如T>To，则回路中就会产生热电势E (T，T。)。导体A和B叫做热电极。两热电极A和B的组合称作热电偶。

在两个接点中，接点l是将两电极焊在-起，测温时将它放入被测对象中感受被测温度，故称之为测量端、热端或工作端；接点2处于环境之中，要求温度恒定，故称之为参考端、冷端或自由端。

热电偶就是通过测量热电势来实现测温的。该热电势是由两部分组成：接触电势与温差电势。

(1)接触电势接触 电势是基于帕尔帖效应产生的，即两种不同导体接触时，自由电子由密度大的导体向密度小的导体扩散，直至达到动态平衡时形成的热电势。电子扩散的速率与自由电子的密度和所处的温度成正比。设导体A和B的电子密度分别为N 和NB，并且N >NB，则在单位时间内，由导体A扩散到导体B的电子数比从B扩散到A的电子数多，导体A因推动电子而带正电，导体B因获得 电子而带负电，因此，在AI]B之间形成 了电势差。这个电势在A，B接触处形成-个静电场 ，阻碍扩散作用的继续进行。在某-温度下，电子扩散能力与静电场的阻力达到动态平衡，此时在接点处形成接触电势，如式2.1所示：(r)型 .L NAt； (，o) 皇 (2. 1)式 中，e为单位 电荷，e：1.160 10 。c；K为玻耳兹曼常数 ，KI.38.10 J/K；E (T)和E (T。)分别为导体A和B的两个接点在温度T和To时的电位差。N 和N 为导体A在温度分别为T和T。时的电子密度，NHn和N 为导体B在温度分别为T和T。时的电子密度。

从式2.1可以看出，接触电势的大小与该接点温度的高低以及导体A和B的电子密度 比值有关，温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度的比值越大，接触电势也越大。

(2)单-导体中的温差电势温差电势是基于汤姆逊效应产生的，即同-导体的两端因其温度不 同而产生的-种热电势。设导体A(或B)两端温度分别为T和T ，且T> ，此时形成温度梯度，使高温端的电子能量大于低温端的电子能量 ，因此从高温端扩散到低温端的电子数比从低温端扩散到高温端的要多，结果使高温端因失去电子而带正电荷，低温端因获得电子而带负电荷 。因而，在同-导体两端便产生电位差，并阻止电子从高温端向低温端扩散，最后使 电子扩散达到动态平衡，此时所形成的电位差称作温差电势。A，B导体分别都有温差电势产生，可由式2.2表示：E f ru)：等 . (Mr，r)；En(T ) 等 ，- (Mr ) (2.2)式中N 和N 分别为导体A，B在某温度T时的电子密度；E (T，T。)和EB(T，T。)分别为AI]B两端在T和T。(T>T。)时的温差电势。

(3)热电偶闭合回路的总电势如图2.2所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势EA(T，T。)和EB(T，T。)及两个接触电势E (T)和E (T。)。设T>To、NA>NB，由于温差电势比接触电势小，所以在总电势中，以导体AB在热端的接触 电势E (T)所占百分比大，决定了总电势的方向，这时总电势E (T，T。)可写成：(r，To) )如(-，，TO-E.M1。)- (r，To)： 篓! f ～ - (M )-! !-篓二-1- (M，7') ·3)e BAI e o 明 e 1：1TO e j u 1经整理后推导可得：幻 (r，To)墨l NAt-dT (2.4)图2 2热电偶闭合回路的电势分布示意图由式2.4可知，热电偶总电势与电子密度及两接触点温度有关。电子密度不仅撒于热电偶材料特性，而且随温度的变化而变化 ，它们并非常数。所以，当热电偶材料-定时，热电偶的总电势E (T，T。)成为温度T和Tn的函数差 ，即：(r.To)f(1)--，( ) (2.5)如果能使冷端温度T。固定，即f(To)C(常数)，则对确定的热电偶材料，其总 电势 (T，To)就只与热端温度呈单值函数关系，即：(r，To)-二f(7)-C (2.6)这种特性称为热 电偶的热电特性，可通过实验方法求得。由此可见，当保持热电偶冷端温度T。不变时，只要用仪表测得热电势 (T， )，就可求得被测温度。

三、热电偶的线性化处理方法热电偶作为测温元件，其输出信号与温度之间存在着-定程度的非线性关系，在进行信号传送及数据处理时，往往希望其特性为线性的，因而有必要对其非线性特性进行线性化处理。据现在温度检测及控制系统使用情况来看，主要可采用模拟线性化和数字线性化两种方法。

(1)模拟线性化对来 自热 电偶的输出信号采用模拟线性化处理，实现起来简单且成本低廉，基本误差可控制在2%以下，能满足-般工业检测及控制的要求。

设某热电偶的热电势与其温度之间的变化曲线如图3.1中的实线所示。由于工业常用的几种热 电偶的输出特性曲线存在共同特点，即除了曲线起始部分非线性较严重以外，其它部分线性较好。因此，可考虑将曲线的线性部分延长，如图3.1中虚线所示，用此虚线代替原曲线的起始部分，这样用-条斜线代替原来的曲线，斜线与纵轴的交点称折点电位。从而实现 了将原特性 曲线的线性化处理，这种方式在信号处理称 平滑近似法”。

图3 1热电偶的热电势与温度关系屯旱世界 -87-I丝- 缎发展-浅 析 通 用 变 频 器 功 能 参 数 的 设 置 与 测 试 河南江河机械有限公司 昊明峰 杨科军摘要文中首先分析了-般功能参数的设置包括运转控制变频嚣、转矩补偿、多功能端子调试等方面，接着在常用功能参数的设置中探讨了转矩矢量控制、节能控制、电动机参数的自动测试等方面。

关键词变频器；参数设置；转矩补偿；电动机参数1.-般功能参数的设置1.L运转控制变频器运行的控制通常有三种方式，主要撒于功能参数FO04，其值为0代表键盘控制，1代表外控，2代表上位机通信控制。通常变频器出厂时采取的第-种方式，即是通过其键盘上的按键 (正转、反转、停止)进行控制，这种方式主要在简单的诚使用。外控控制方式是最常用的，那么首先要定义和设置多功能端子x1-x7。而上位机通信控制则用于较复杂的诚，通过内置于变频器里的RS485通讯接 口进行的。

1.2转矩补偿转矩补偿也就是转矩提升，通过功能参数F103设置，主要在较低频率区域使用，经加大输出电压对低频转矩进行补偿。O～50伏是功能参数F1O3的范围，1O伏是其出厂默认值。若其值为0时，则表示自动提升，自动提升加速时的电压来对启动转矩进行补偿，以保证电动机顺利加速运行。若使用手动进行补偿，则以负载特性特别是其起动特性为依据进行试验 ，从而较佳曲线即可选出。若变转矩负载选择不适合，会引起低速时的输 出电压超 出正常值，不仅浪费电，严重还会致使负载起动时的电流较大转速很低的情况。

1.3多功能端子调试多功能端子还有另-个名称 ，即可编程输入 /输出控制端子，它的设置是为 了使变频器控制端子数减少 。以SB6系列为例，用F500F506分别定义x1～x7这七个多功能端子，由这七个多功能端子组成开关通断来实现多个功能，其范围是O-i6。用户可通过对这七个端子的选择来实现自己需要的功能。

多段频 率端子选 择 (0-3)：可 以定义不超过l 5段速度 的多段 速运 行，功能参数F616F630对其运行频率进行确定。若用x1x2端子让变频器以三段转速频率运行 (频率为10、20、30)，可将多段频率端子分别设置为x1与x2，若x1、x2是断通、通断、通通组合时，变频器 的频率分别是 1OHz、2OHz、30Hz。若过程PID非无效，则多段频率端子功能丧失。

加减速时间端子选择 (4-6)：由此三个端子的通断组合，可实现不超过七种加减速时间，以功能参数F631-F644对其时间进行确定。当用x5x6代表加减速时间端子时，想让变频器以5秒 ，10秒 ，15秒在频率变化时转换加减速，可以将x5和x6设置为加减速时间端子；若x5、x6是断通、通断、通通组合时，变频器完成加减速转换所用的时间分别是5秒，1O秒，15秒。

故障输入端子选择 (7-8)：外部故障信号可以通过7、8输入变频器，外部故障信号输入方式为唱或常闭。

复位输入端子选择(9)：若变频器出现故障，在处理完故障后，短接COM和9，即可让变频器复位。

点动输入端子选择 (10)：若设定为此功能时，短接comH10，变频器触动运行。

2常用功能参数的设置2.1转矩矢量控制电动机的控制通常分为V/f控制和矢量控制两种模式。这是通过功能参数F013来确定的，当FO13为0或l时，即分别表示开环V/f控制模式和闭环v/f控制模式；若F013为2或3时，则为无速度传感器和有速度传感器矢量控制模式，在这种控制模式下，在首次运行之前，将F200设置为l自动测定其参数，方便变频器的随后的控制运行。

使用转矩矢量控制功能时，无论运行条件怎样 电动机都能输 出最大转矩，特别是在速度较低的位置 。不过 目前的变频器基本上都是使用的无反馈矢量控制，因为其转差补偿可以通过负载电流进行，让电动机的硬这- 特性得以体现，已经可以满足大部分诚的要求，在变频器外部就无需设置速度反馈电路。在设置此功能的时候，可以根据具体情况进行选择，有效和无效二者选其-。其他相关功能是转差补偿控制，它的功能是对因负载波动产生的速度偏差进行补偿 ，可以将与负载 电流相对应的转差频率加上，此功能主要是进行定位控制。

2.2节能控制风机和泵类属于平方率负载，也就是当转速减小时，负载转矩和转速的平方也会呈现-定比例的减小，变频器有节能控制功能的通常都会带有专用V/f模式，此模式能够有效提高电动机与变频器的使用效率，可使得变频器的输出电压自动变低，这样也就能达到节能的效果。功能参数为F1l5，出厂设置中0和1分别代表不节能运行和节能运行，要注意的是节能运行功能只能在V/f模式下有效，也就是出厂设置通用型是O，若工作模式是矢量控制时，节能功能也就无效了，这是因为矢量控制优先于其他任何控制功能，因此在风机和水泵被变频器带动时 ，则控制功能要设置成节能运行模式。

2.3电动机参数的自动测试若变频器配用电动机在其说明书的使用要求范围内的，使用者只需将 电动机的相关参数(额定 电压和极数)设定即可，这种电动机 的相关参数直接通过变频器 的存储器就可以搜索到。若配用的电动机不适合变频器 ，或者选择的电动机不标准，或者电动机与变频器之间的缆线过长或有 电抗器，出现以上几种情况就要测试电动机 的参数了：当使用开环u/f进行控制时，问题并不明显，但是如果换成矢量进行功能控制时，则是依照 电动机参数来进行系统控制的，这个时候对 电动机参数的准确性要求就比较高了。为了使矢量控制效果更加明显，大部分变频器都具有自动调整电动机参数的功能，可以测试电动机的参数。在测试过程中，第-步要按照要求对变频器和电动机进行接线，接着采用矢量控制，输入电动机的电压和 电流等额定值，选择是否使用 自动调整功能。设定F200为l，带 电动机并使其空转，变频器将会在几秒钟后 自动测量 电动机参数，计算并保存电动机的相关参数，如定子和转子电阻电感等。自动测试的电动机的功能参数是F200，其控制模式FO13等于2或者3有效。

3.嗅综上所述，作为-种电机调速装置的变频器具有高效节能的优势，越来越受到广大企业的青睐，要想有效的使用变频器就要系统 、准确、合理地对参数进行设置 ，这样才能使其在生产中的作用得到充分的发挥。在设置变频器功能参数时，则要综合考虑到现场工艺设备等情况，进行多次设置调试后才能发挥变频器的功能和作用。