航空用热电偶校检冷端补偿影响因素的减小或消除

（中国飞行试验研究院，陕西西安 710089）

0.引言

温度参数在航空领域有着广泛应用和起着重要作用，为保证在飞行试验中使用航空用热电偶测温时得到的数据准确、量值可靠，不仅要对这些航空用热电偶进行周期或不定期的校检，还要在校检过程中充分对各种影响因素进行考虑与分析，尽量地减小与消除影响。结合我院工作情况分析，本文在热电偶校检炉温场均匀性影响已考虑的前提下，探讨了热电偶校检时冷端补偿影响因素的减小或消除。

1.冷端补偿方案分析与选择

目前常用的热电偶冷端补偿方案大致有9种，根据航空用热电偶的特点和使用要求，一般选取冰点法和热电阻测冷端温度法这2种冷端补偿方式。这2种方法都有补偿准确度高、使用较为简单方便的优点，缺点是对于实验室环境而言，相对其他办法而言都十分容易克服。对这2种冷端补偿方法而言，从理论上来说，用冰点法的补偿效果准确度更高，因为在一个标准大气压下，冰与水的平衡温度为0℃，虽然在实际的实验室校检过程中，实验室用清洁的冰水混合物放在保温瓶内达到的热平衡温度会比0℃略低，大约为-0.04℃左右，按照不确定度评定中的方法可计算出此误差引入的不确定度值约为0.02℃，大约占航空用热电偶自动校检系统总的扩展不确定度的1/60，故此误差影响极小，对热电偶测温产生的影响可以忽略。但在实际工作中，因为冰点法需要每次校检前制作冰水混合物，且对实验室的环境要求相对较高，所以热电阻测冷端温度法由于使用方便且可以实时进行补偿。下面将以热电阻测冷端温度法为分析对象，讨论其对整个系统校检结果的影响是否能够消除或减小。

2.冷端补偿影响因素的减小或消除

实验室选取的冷端补偿热电阻为一只A级的Pt100铂热电阻，测温范围为0℃～200℃， 探头尺寸为φ4×30mm，探头材质为无缝304不锈钢。

根据铂热电阻的允许偏差，A级Pt100铂热电阻在补偿热电偶校检过程冷端温度时，其引入的测量误差最大值为±(0.15+0.002|t|)℃，与被校检热电偶冷端温度正相关，与冷端距校检炉位置负相关，即若被校检航空用热电偶冷端被延长后离热电偶校检炉的炉口越近，其温度可能受校检过程中加热时校检炉逸散出的温度影响越大，铂热电阻在进行温度补偿时引入的测量误差越大；反之，冷端温度越接近室温，进行温度补偿时铂热电阻引入的测量误差越趋于定值（室温恒定控制在(20±5)℃内）。此外，在用铂热电阻测温法进行热电偶校检冷端温度补偿时，可能会产生误差的影响因素还有铂热电阻放置位置与被校检热电偶冷端位置的偏离程度和室温发生波动时测量产生的误差影响这2种。简单分析可知，这3种会对冷端补偿方法造成误差的影响因素前两种都是因为冷端温度测量不准确造成的，属于可以减小的影响因素。

根据实验室实际工作情况，对前2种影响因素提出简单的解决方案如：综合考虑被校检航空用热电偶冷端延长的成本与热电偶校检炉对校检所在实验室环境温度的影响大小，且实验室场地大小固定，可以在热电偶校检的冷端引入恒温块（或恒温箱），将热电偶与冷端补偿用的铂热电阻一起放置在恒温块的孔槽中，因为恒温块的特性，可以使此时冷端温度不会受外界环境温度波动或者热电偶校检炉逸散温度的影响，或者温度变化非常缓慢，与每次测温补偿冷端温度的采集用时相比，近似为恒定值。引入恒温块（或恒温箱）的方法在一定程度上可以改善室温波动引入的误差，但无法对热电阻补偿方法的测量电路因为温度变化产生的误差进行改善，针对这一情况，分析热电阻测温电路和误差来源，提出改善方法：引入两个标准补偿电阻。

在本系统的冷端补偿部分铂热电阻测温的工作原理是系统提供恒流源，对铂热电阻Rt提供恒定电流I，直接测量热电阻两端产生的电压值U，将其转换后传给计算机计算出Rt，然后根据Rt=R0(1+At+Bt2)计算出温度值t。其中Pt100铂热电阻的R0=100Ω，A=3.9083×10-3℃-1，B=-5.7750×10-7℃-2。在此过程中，t经过A/D转换后传输给计算机的数字信号为：

其中Vm代表数字多用表内放大器失调电压，N为放大电路放大倍数，Vs为数字多用表A/D转换基准电压，Df为满量程数字量。从式（1）可以看出，与计算Rt时使用的数字量D相关的5个参数除I恒定外，都可受环境温度变化影响。

根据铂热电阻温度与阻值对应关系，在电路中接入两个准确度等级为0.01级，温度漂移1ppm的标准电阻，测温如图1所示，其中R100=100Ω，R138.5=138.5Ω，用来对应t100=0℃，t138.5=100℃，对应的数字量为D0和D100且D100=Df，通过系统的低热电势扫描开关对电路进行切换，控制数字多用表的输出数字量来源。则有：

图1 接入标准电阻的冷端补偿热电阻测温框图

据此，如果采样周期足够短，可以认为在式（1）、（3）和（4）中5个参数相等，则式（2）可整理为：

因为Rt只与冷端温度有关，所以探讨环境温度影响时其可看成常数，对式（5）微分并将R100=100Ω，R138.5=138.5Ω代入，整理后，得到：

则有：

又因为：dR100=100×10-6Ω/℃，dR138.5=138.5×10-6Ω/℃，故两个补偿标准电阻的温度漂移对热电阻测温对应电阻R的影响为：

再由铂热电阻测温原理，得到：

根据热电阻阻值相对测量误差对温度值产生误差的影响，温度的相对误差应为阻值误差的2.6倍，则可最终得到补偿标准电阻温度漂移对热电阻测温引入的误差约为5.2ppm/℃。

基于该方法对整个航空用热电偶校检过程的冷端补偿方法进行改进，优点在于：将测量装置因为环境温度发生变化产生的难以控制的误差转换为方便控制且成本低的两只标准电阻的误差变化，在提高冷端补偿准确度的同时，实现方法简单。

3.结语

通过对航空用热电偶校检时冷端补偿的方案与热电阻测温冷端补偿法中影响因素的讨论，得到了两种有效减小或消除航空用热电偶校检时冷端温度补偿影响因素的方法：采用冰点法进行冷端补偿或者引入标准补偿电阻减小铂热电阻测温补偿冷端温度时温漂的误差影响，确保了航空热电偶校检结果的准确性和可靠性，且实现方法简单易行。