减小热电偶动态响应误差的思路分析

减小热电偶动态响应误差的思路分析

刘磊

山西大唐国际云冈热电有限责任公司山西大同037039

摘要：本文首先简要分析了热电偶的动态响应误差及其产生原因。然后对热电偶测温过程进行数学建模，将其抽象成一个数学模型。通过较为直观的数学模型对减小热电偶动态误差的思路进行分析。在查阅大量相关资料后，对现有的一些改进思路进行研究和总结。最后从算法校正和改进硬件两大方面进行了分析阐述，得出结论，即算法校正的局限性和改进硬件根本性。

关键词：热电偶动态误差数学模型改进硬件算法校正

1.概述

工业热电偶插入被测介质后，由于本身具有热惰性，因此不能立即指示出被测介质的温度，只有当测量端吸、放热达到动态平衡后才达到稳定的示值。在工业热电偶插入后到示值稳定之前的整个不稳定过程中，工业热电偶的瞬时示值与稳定后的示值存在着偏差，这时工业热电偶除了有各种稳定的误差外，还存在由工业热电偶热惰性引入的偏差，即动态响应误差。

一般测量仪器仪表均有一定程度的惯性，由于热接点具有一定的热容量，热接点从介质中吸收热量加热到介质温度提高需要一定的响应时间。也就是热接点温度的变化，在时间上总是滞后于被测介质的温度变化。

2.数学模型

基于传热学原理，忽略热电偶插入后对介质温度的影响，对介质和热电偶热接点的热交换过程及相应电动势的变化进行分析，近似为一阶惯性环节（如图1），其温度表达式为：

3.改进思路及分析

在实际应用中，减小热电偶动态响应误差，主要通过提高温度传感器的热响应速度，缩短传感器热响应滞后时间来实现。主要有两种方法：一是算法校正，二是改进硬件。

3.1算法校正

3.1.1RC微分网络校正法

首先以RC微分网络校正为例，思路是基于热电偶的温度表达式或传递函数，在此一阶惯性环节后增加其它环节，而实现对热电偶动态响应误差的校正。

3.1.2基于实时时间常数校正法

该方案是基于微机的纯算法校正，思路是在线实时计算时间常数，再利用相关算法实时计算出被测温度值。其核心是算法的设计。

该方案是从一阶惯性环节的响应曲线入手，研究曲线斜率与时间常数的关系。计算各采样点斜率后再引入斜率比，计算连续各点斜率比并对所得数据进行防脉冲干扰的滑动平均滤波处理，得到一个稳定的斜率比。最后，通过这个算出的稳定斜率比去计算出时间常数，从而计算出被测介质温度。

方案通过已知的响应曲线推算斜率、斜率比，计算出时间常数，从而推算出被测介质温度。但实际情况中响应曲线往往需要进行实验取样绘制，不同起始温度、不同工况下的曲线也不尽相同。若将其定为已知，其实相当于已经知道了所用热电偶特性及被测介质温度。

可见，这种实时的校正法本质上是通过结果倒推算法的方式，离不开进行实际数据采样，快速仅仅是表面上的“省时”。除此之外，其推算结果与实际还有一定的偏差，这样就又引入了新的误差。因此，这种思路仅仅是理论性算法而不宜用于实际生产中。

3.2改进硬件

通过改变热电偶的材质，提高热电偶的热响应速度是修正动态响应误差的有效方法。此外，减小热电偶接点的体积，从而减小接点部分的热容量，或通过改变接点的形状等方式增大接点与被测介质的接触面积，都可以有效的减少热响应的滞后时间。热电偶的套管也是影响热电偶动态响应水平的一大因素。上述通过改进硬件减小热电偶的动态响应误差的方法，比较根本有效，但在实际生产中也需综合考虑成本和精度需求。

4.结束语

综上，热电偶动态响应误差存在的根本是热电偶的热响应时间，热响应时间则因具体的测量环境条件以及热电偶的结构而有所差别。减小热电偶动态响应误差不能一味依靠算法校正，必要时还需通过改进硬件的材料和结构的方法来缩短其热响应时间。当然，在追求测量灵敏度和准确度的同时，也需综合考虑精度需求和安全性等方面问题。另外，由于一般测量仪器仪表均有一定程度的惯性，所以本文的研究和分析对于研究改进其他仪表的此类误差也有一定的参考价值。

参考文献：

刘智.热电偶测量误差分析及解决方法.山东工业技术，256

李莉，张凤菊，刘利民.减小热电偶动态误差的方法.2003，3:56

徐一新，万泓，余新春.基于实时时间常数的热电偶动态误差校正.传感器技术，2001,20（5）:31-33