一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统及实现方法

摘要

一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统及实现方法，涉及温度测量领域；利用本方法可以实现热电偶测温时参考端温度的实时自动精确补偿。本发明通过下述技术方案予以实现：本方法所述的恒温罐具有恒温循环水路，罐内设置有恒温区，工作时恒温区的温度波动可以控制在±0.05℃以内，可以保持热电偶参考端温度恒定。所述的高精度热电阻通过数据采集卡与数据处理系统相连，能够实时采集热电偶参考端的温度，通过数据处理系统编程可以实现热电偶参考端温度的实时自动精确补偿。本方法所述的热电偶参考端温度实时自动精确补偿方法，可实现热电偶参考端温度的实时自动精确补偿，适用于很多场合下热电偶测量端温度的连续自动精确测量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种温度测量领域，特别是一种热电偶参考端温度实时自动精 确补偿系统及实现方法。

背景技术

温度是表征物体冷热程度的一个物理量，无论在工业生产过程还是在生活 的各个领域，很多物质存在状态与物理量的变化都与温度有很大关系，因此， 测量与控制温度参数几乎成为生产和生活中一个必不可少的内容。

温度参数不能直接测量，一般只能根据物质的某些特性值与温度之间的函 数关系，通过对这些特性参数的测量间接获得温度。热电偶就是一种常用的接 触式测温温度计。热电偶测温原理是利用热电效应，即当两种不同材料导体形 成闭合回路时，如两接电温度不同，则在回路中便会产生电动势，这种现象就 称为热电效应，这个电动势就称为热电势。通常与热电偶配套的工业用仪表显 示的温度是在参考端(即冷端)温度为0℃时的结果。目前很多热电偶显示仪 表已经可以在参考端温度为室温的条件下进行显示，但一般温度补偿精度都不 高，还不能直接用于温度精确测量使用。通常精密温度测量所用的热电偶参考 端温度处理方法为保持参考端为0℃的方法，即将热电偶参考端置于冰水混合 物中，这样就可以很准确地保证其参考端为0℃。但这种方法需要不断的补充 冰块，长期使用和操作起来都不方便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种热电偶参考端温度 实时自动精确补偿系统及实现方法，能够实现热电偶长期使用时参考端温度实 时自动精确补偿，适用于待测热环境温度的长周期实时自动精确测量。

本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：

一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，包括热电偶、恒温罐、热 电阻、数据采集卡、温度显示仪表、数据处理系统和恒温循环水机；其中热电 阻放置在恒温罐中；热电偶的一端设置在外部待测热环境中，热电偶的另一端 设置在恒温罐中，并围绕着热电阻与温度显示仪表连接；温度显示仪表与数据 处理系统连接；热电阻依次连接数据采集卡和数据处理系统；恒温罐与恒温循 环水机连接。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，所述热电偶设置 有测量端和参考端；热电偶的测量端放置在外部待测热环境中，热电偶的参考 端和热电阻一同放置在恒温罐内；参考端与温度显示仪表连接；数据处理系统 将上述参考端实时温度的电信号转换成热电势值，并与测量端和参考端的热电 势差值信号相加得到电势终值，并将电势终值转换成温度值，即得到精确补偿 后外部待测热环境的实时温度。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，所述的恒温罐包 括恒温循环水路、上盖进水接口、罐体出水接口、循环水套、上盖预留开口、 上盖、上盖出水接口、恒温区、隔热层、罐体和罐体进水接口；其中，上盖设 置在罐体上端；上盖靠近顶端的侧壁上对称设置有上盖进水接口和上盖出水接 口；上盖的中心设置有上盖预留开口；上盖的壳体和预留开口的内壁形成循环 水套；罐体的上端侧壁上设置有罐体出水接口；罐体的底端侧壁上设置有罐体 进水接口；罐体的中心位置设置有隔热层；隔热层的中心位置设置有恒温区， 热电偶的参考端和热电阻设置在恒温罐的恒温区内；在罐体顶端的侧壁上设置 有罐体出水接口。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，所述温度实时自 动精确补偿的系统还包括恒温循环水回水管、恒温循环水给水管；所述的恒温 罐的罐体进水接口通过恒温循环水给水管与恒温循环水机相连；罐体出水接口 与上盖进水接口相连；上盖出水接口通过恒温循环水回水管与恒温循环水机相 连。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，恒温循环水从恒 温循环水机流出，依次经历恒温循环水机的出水口、恒温循环水给水管、罐体 进水接口、罐体出水接口、上盖进水接口、上盖出水接口、恒温循环水回水管、 恒温循环水机的进水口，又回到恒温循环水机内部，形成闭合的循环水路。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，所述的恒温罐为 不锈钢或铜材质，外形为圆筒型或方形，恒温罐内为圆筒型或方形空腔。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，所述的恒温罐内 设置有恒温区和隔热层；隔热层为室温热导率不大于0.05W/(m·K)的低密度多 孔材料，隔热层的外壁与恒温罐的内壁形状一致，间隙不大于5mm；恒温区为 隔热层内的圆筒型或方型空腔，深度为60～120cm，水平截面面积为15～40 cm²，实现恒温区的温度波动控制在±0.05℃以内。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，热电偶参考端温 度实时自动精确补偿的实现方法包括如下步骤：

步骤(一)、将热电偶的测量端放置在外部待测热环境中，将热电偶参考端 和热电阻通过恒温罐上盖预留开口放置在恒温罐的恒温区内，用柔性隔热材料 将上盖预留开口封住；

步骤(二)、将恒温罐的罐体进水接口与恒温循环水给水管相连，采用软管 将罐体出水接口与上盖进水接口相连，将上盖出水接口与恒温循环水回水管相 连，将恒温循环水给水管和回水管与恒温循环水机连接；将恒温循环水机的水 温保持在设定温度；打开循环水使恒温罐内的循环水路开始循环；

步骤(三)、将测温热电偶与温度显示仪表相连；测量热电偶参考端实际温 度的热电阻与数据采集卡相连；温度显示仪表和数据采集卡分别通过信号传输 线和与数据处理系统连接；

步骤(四)、通过数据处理系统设置数据采集卡读取热电阻温度信号的速度 大于10次/s，实现对均温区内的温度进行快速采集；并将采集的温度值和温度 显示仪表的测量数值按照热电偶的分度值查表换算成电动势后进行数值加和得 到的实时总电动势，最后将总电动势按照热电偶的分度值查表换算成温度值显 示于数据处理系统的温度显示窗口，即为待测热环境的实时温度。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，所述的热电阻为 高精度铂热电阻或铜热电阻。

在上述的一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统，所述步骤(二) 中，设置恒温循环水机的水温为25～35℃；打开循环水使恒温罐内的循环水路 开始循环，直到电阻的温度波动在±0.05℃以内时，热电偶的测量端的温度即 认为恒定，此时数据处理系统的温度显示窗口显示的实时温度即是经过参考端 温度自动精确补偿的待测热环境的实时温度。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明采用了具有循环水路的恒温罐、高精度热电阻、数据采集卡和 数据处理系统，即可保持热电偶参考端温度的恒定，又可对热电偶进行冷端温 度实时精确补偿，可以实现待测热环境温度的长周期实时自动精确测量；

(2)本发明采用了热电阻、数据采集卡和数据处理系统和热电势差值信号 处理方法，提高了热电偶参考端温度补偿的精度和自动化程度，实现了热电偶 参考端温度的自动精确补偿；

(3)本发明采用了恒温罐和循环水路连接方法，与冰点补偿法相比节省了 持续加冰的步骤，节约了人工成本，适合于测量周期长的温度精确测量场合；

(4)本发明采用了恒温区和隔热层，使热电偶参考端的温度波动控制在± 0.05℃以内，提高了恒温罐的恒温精度，实现了热电偶参考端温度的长时间恒 定；

(5)本发明采用了热电偶参考端温度实时自动精确补偿的方法，提高了热 电偶参考端温度补偿的速度，实现了热电偶参考端温度的实时自动补偿。

附图说明

图1为本发明一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统结构示意图；

图2为本发明恒温罐结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

如图1所示为一种热电偶参考端温度实时自动精确补偿系统结构示意图， 由图可知，包括热电偶3、恒温罐5、热电阻8、数据采集卡10、温度显示仪 表11、数据处理系统16和恒温循环水机17；其中热电阻8放置在恒温罐5中； 热电偶3的一端设置在外部待测热环境1中，热电偶3的另一端设置在恒温罐 5中，并围绕着热电阻8与温度显示仪表11连接；温度显示仪表11与数据处 理系统16连接；热电阻8依次连接数据采集卡10和数据处理系统16；恒温 罐5与恒温循环水机17连接。

所述温度实时自动精确补偿的系统还包括连接导线6、补偿导线7、第一 信号传输线14和第二信号传输线15；热电偶3设置有测量端2和参考端4； 热电偶3的测量端2放置在外部待测热环境1中，热电偶3的参考端4和热电 阻8一同放置在恒温罐5内；参考端4通过补偿导线7与温度显示仪表11连 接；补偿导线7将热电偶3测量端2和参考端4的热电势差值信号传给温度显 示仪表11；温度显示仪表11通过第二信号传输线15将热电势差值信号传给数 据处理系统16；热电阻8通过连接导线6与数据采集卡10连接；热电阻8将 热电偶3参考端4的实时温度以电信号形式通过连接导线6传给数据采集卡 10，并通过第一信号传输线14传给数据处理系统16；数据处理系统16将上 述参考端4实时温度的电信号转换成热电势值，并与测量端2和参考端4的热 电势差值信号相加得到电势终值，并将电势终值转换成温度值，即得到精确补 偿后外部待测热环境1的实时温度。

所述的恒温罐5为不锈钢或铜材质，外形为圆筒型或方形，恒温罐5内为 圆筒型或方形空腔。

所述的恒温罐5内设置有恒温区24和隔热层25；隔热层25为室温热导 率不大于0.05W/(m·K)的低密度多孔材料，隔热层25的外壁与恒温罐5的内壁 形状一致，间隙不大于5mm；恒温区24为隔热层25内的圆筒型或方型空腔， 深度为60～120cm，水平截面面积为15～40cm²，实现恒温区24的温度波动 控制在±0.05℃以内。

所述的热电阻8为高精度铂热电阻或铜热电阻。

如图2所示为恒温罐结构示意图，由图可知，所述的恒温罐5包括恒温循 环水路9、上盖进水接口18、罐体出水接口19、循环水套20、上盖预留开口 21、上盖22、上盖出水接口23、恒温区24、隔热层25、罐体26和罐体进水 接口27；其中，上盖22设置在罐体26上端；上盖22靠近顶端的侧壁上对称 设置有上盖进水接口18和上盖出水接口23；上盖22的中心设置有上盖预留开 口21；上盖22的壳体和预留开口21的内壁形成循环水套20；罐体26的上端 侧壁上设置有罐体出水接口19；罐体26的底端侧壁上设置有罐体进水接口27； 罐体26的中心位置设置有隔热层25；隔热层25的中心位置设置有恒温区24， 热电偶的参考端4和热电阻8设置在恒温罐5的恒温区24内；在罐体26顶端 的侧壁上设置有罐体出水接口19。

所述温度实时自动精确补偿的系统还包括恒温循环水回水管12、恒温循环 水给水管13；所述的恒温罐5的罐体进水接口27通过恒温循环水给水管13 与恒温循环水机17相连；罐体出水接口19与上盖进水接口18相连；上盖出 水接口23通过恒温循环水回水管12与恒温循环水机17相连。

当恒温循环水机开始运转时，恒温循环水从恒温循环水机17流出，依次 经历恒温循环水机17的出水口、恒温循环水给水管13、罐体进水接口27、罐 体出水接口19、上盖进水接口18、上盖出水接口23、恒温循环水回水管12、 恒温循环水机17的进水口，又回到恒温循环水机17内部，形成闭合的循环水 路9；循环水路的循环方向为自下而上循环；恒温循环水机17通过闭合水路的 水温恒定来实现恒温罐内的热电偶参考端和热电阻恒温

热电偶参考端温度实时自动精确补偿的实现方法包括如下步骤：

步骤(一)、将热电偶3的测量端2放置在外部待测热环境1中，将热电 偶参考端4和热电阻8通过恒温罐5上盖预留开口21放置在恒温罐5的恒温 区24内，用柔性隔热材料如脱脂棉、海绵和塑料泡沫等将上盖预留开口21封 住；

步骤(二)、将恒温罐5的罐体进水接口27与恒温循环水给水管13相连， 采用软管将罐体出水接口19与上盖进水接口18相连，将上盖出水接口23与 恒温循环水回水管12相连，将恒温循环水给水管13和回水管12与恒温循环 水机17连接；将恒温循环水机17的水温保持在设定温度；打开循环水使恒温 罐5内的循环水路9开始循环；

步骤(三)、将测温热电偶3通过补偿导线7与温度显示仪表11相连；测 量热电偶参考端4实际温度的热电阻8通过连接导线6与数据采集卡10相连； 温度显示仪表11和数据采集卡10分别通过信号传输线14和15与数据处理系 统16连接；所述热电阻3为高精度铂热电阻或铜热电阻。

步骤(四)、通过数据处理系统16设置数据采集卡10读取热电阻8温度 信号的速度大于10次/s，实现对均温区24内的温度进行快速采集；并将采集 的温度值和温度显示仪表11的测量数值按照热电偶3的分度值查表换算成电动 势后进行数值加和得到的实时总电动势，最后将总电动势按照热电偶3的分度 值查表换算成温度值显示于数据处理系统16的温度显示窗口，即为待测热环 境1的实时温度。

所述步骤(二)中，设置恒温循环水机17的水温为25～35℃；打开循环 水使恒温罐5内的循环水路9开始循环，直到电阻8的温度波动在±0.05℃以 内时，热电偶3的测量端2的温度即认为恒定，此时数据处理系统16的温度 显示窗口显示的实时温度即是经过参考端温度自动精确补偿的待测热环境1的 实时温度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。