熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測量中。如果了解了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的原理、功能、作用方法和注意事項(xiàng),就能充分發(fā)揮熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用,否則就會適得其反。
某鋼管生產(chǎn)企業(yè)新引進(jìn)的一套球化爐裝置,裝置的二十多個(gè)測溫點(diǎn)由于設(shè)備安裝人員將熱電偶正負(fù)極接反,且補(bǔ)償導(dǎo)線還存在多接頭現(xiàn)象,再加上設(shè)備使用人員對此知識的貧乏,在工作中因爐溫不正確導(dǎo)致爐內(nèi)產(chǎn)品報(bào)廢,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)一百多萬元,教訓(xùn)不可謂不深刻。
實(shí)際上在眾多熱電偶測溫現(xiàn)場,筆者發(fā)現(xiàn)用普通銅導(dǎo)線作連線的占40%,而使用補(bǔ)償導(dǎo)線作連接線的僅占60%。究其原因有二：
一是由于熱電偶設(shè)備使用操作人員不了解補(bǔ)償導(dǎo)線功能,認(rèn)為既然只要起到連接作用,普通導(dǎo)線即可。
二是設(shè)備制造商在安裝熱電偶時(shí),用的連接線即為普通導(dǎo)線,而在使用者角度總認(rèn)為設(shè)備安裝人員都是專業(yè)人員,做法總是正確的,沒能引起應(yīng)有的懷疑。
在工業(yè)生產(chǎn)中,雖然熱電偶作為溫度傳感器,已經(jīng)廣泛使用于溫度測量和控制,人們對此也比較熟悉,但如果在使用中不注意正確的使用方法,就會給測溫和控溫造成很大的偏離,嚴(yán)重時(shí)會直接造成經(jīng)濟(jì)損失,所以應(yīng)該引起重視。
一、熱電偶的測溫原理簡介
由2種不同均質(zhì)材料a、b組成的回路（見圖1）稱為熱電偶。a、b材料2端連接的接點(diǎn)分別用j1、j2表示,如果j1、j2的接點(diǎn)溫度t1和t2不一樣,在回路中就會產(chǎn)生電勢,通常稱為熱電勢。當(dāng)a、b的材料一定時(shí),熱電勢的大小取決于t1、t2之間的溫度差,用公式表示為
eab（t1,t2）=eab（t1）+eba（t2）=eab（t1）-eab（t2） （1）
式中：eab（t1,t2）———材料為a、b的熱電偶,接點(diǎn)溫度t1、t2之間的溫差電勢。
eab（t1）———a、b接點(diǎn)溫度為t1時(shí)的電勢。
eab（t2）、eba（t1）———a、b接點(diǎn)溫度為t2時(shí)的電勢,這2項(xiàng)大小相等,符號相反。
為了統(tǒng)一熱電偶材料并進(jìn)行規(guī)范,******有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了組成熱電偶材料a、b的成分、純度,并且給出了a、b材料的組合形式,統(tǒng)一用一個(gè)字母命名型號,如k型、s型等。為了使用方便,將各種型號的熱電偶溫度值與電勢關(guān)系,統(tǒng)一為相對于0℃時(shí)的電勢值,這里用t0表示,制成各種型號的熱電偶分度表,便于查閱和計(jì)算。
這樣相對于圖1中的形式,公式（1）轉(zhuǎn)化為
eab（t1,t2）=eab（t1,t0）-eab（t2,t0） （2）
公式（2）就是我們目前使用的實(shí)用公式,只要知道t1、t2,可以從分度表中查出eab（t1,t0）和eab（t2,t0）。
圖1中左圖為原理圖,該圖中對于熱電勢無法測量；右圖為目前實(shí)際使用的測量電路,在熱電偶的2極用測量導(dǎo)線連接,根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)體定律,只要右圖中接點(diǎn)j2、j3的溫度相同,均為t2,并且連接導(dǎo)線均為同種均質(zhì)材料,圖1中的右圖與左圖是等效的。
二 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線
1. 連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律
首先我們來分析熱電偶的連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律,如圖2。
實(shí)際應(yīng)用中,測量和控制儀表與熱電偶總是有一段距離,如圖2所示。c、d也是2種均質(zhì)材料,根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律,可以導(dǎo)出測量的總電勢ez的表達(dá)式為：
ez=eab（t1,t3）+ecd（t3,t2） （3）
式（3）就是熱電偶連接導(dǎo)體定律。如果連接的不是一段,總電勢ez同樣為各個(gè)部分之和。在圖2的測量中,我們希望測量端的總電勢為熱電偶eab（t1,t2）,便于控制儀表測量中不至于中間連接產(chǎn)生附加電勢,表達(dá)式為：
eab（t1,t2）=ez=eab（t1,t3）+eab（t3,t2） （4）
式（4）中t3稱為中間溫度,所以也稱為中間溫度定律。這樣就要求我們找到某種材料c、d,他的特性為：
ecd（t3,t2）=eab（t3,t2）（5）
滿足式（5）的材料我們稱為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線。因?yàn)闊犭娕嫉姆N類較多,所以熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的種類也較多。
2. 在工業(yè)溫度測量和溫度控制中正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線
工業(yè)溫度測量、控制中,熱電偶使用的位置總是距測量、控制表（下面簡稱儀表）有一定的距離,因而從熱電偶的輸出端到測量、控制表的輸入端,需使用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線均有正負(fù)極,故接線時(shí)應(yīng)該正極與正極連接,負(fù)極與負(fù)極連接。見圖3所示。
圖3中由于t3和t2的溫度差會給測量帶來誤差,補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是補(bǔ)償t3和t2,不同種類的熱電偶,要使用相應(yīng)型號的補(bǔ)償導(dǎo)線,不同型號的補(bǔ)償導(dǎo)線不能混用。
三、 常見補(bǔ)償導(dǎo)線使用中的錯(cuò)誤和產(chǎn)生的誤差
1. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極與熱電偶接反
如果將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶正負(fù)極接反,而熱電偶的正負(fù)極與儀表的正極連接是正確的,以k型偶為例見圖4所示。這種錯(cuò)誤在應(yīng)用中比較普遍,因?yàn)檫B接后,被控制對象的溫度變化趨勢與顯示儀表是一致的。加之目前熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)品很多標(biāo)注不規(guī)范,難以辨認(rèn)；有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標(biāo)錯(cuò)。下面分析由于這種情況所產(chǎn)生的誤差。
如果正確連接,儀表所接收的總熱電勢為
ez=ek（t1,t3）+ekx（t3,t2）=ek（t1,t3）+ek（t3,t2）
=ek（t1,t2）（6）
因?yàn)檫B接的錯(cuò)誤,根據(jù)中間導(dǎo)體定律,儀表所接收的總熱電勢為
e′z=ek（t1,t3）+ekx（t3,t2）（7）
對于kx延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線,有
e′kx（t3,t2）=-ekx（t3,t2）=-ek（t3,t2）（8）
計(jì)算,儀表測量值由此產(chǎn)生誤差為
ez′-ez=ek（t1,t3）-ek（t3,t2）-ek（t1,t3）-ek（t3,t2）
=2ek（t3,t2）（9）
一般工業(yè)爐附近的溫度,至少比控制間的溫度高8℃。那么由此產(chǎn)生誤差正好是補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償值的2倍。對于k型偶,微分電勢值基本在40℃/（μv）左右,測量溫度大約比實(shí)際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃,實(shí)際溫度應(yīng)該在616℃左右。
從上面的分析可以看出,當(dāng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極接反,不僅沒有起到補(bǔ)償作用,誤差比不接補(bǔ)償導(dǎo)線還增加一倍,因此補(bǔ)償導(dǎo)線在連接時(shí)一定要注意極性。
如果不能確定熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線極性時(shí),可以取一段補(bǔ)償導(dǎo)線,將一端絕緣去掉后擰在一起,放在熱水杯中,用普通萬用表直流電壓量程***低檔測量另一端的2根線,萬用表上會顯示測量電壓的正負(fù),信號的正極為補(bǔ)償導(dǎo)線的正極。
2. 使用的補(bǔ)償導(dǎo)線型號不對
同種補(bǔ)償導(dǎo)線配同種熱電偶,如果所選的補(bǔ)償導(dǎo)線種類不對,一樣產(chǎn)生誤差。假設(shè)使用s型熱電偶,選擇了k型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線kx,如圖5所示。
根據(jù)中間導(dǎo)體定律,儀表所接收的總熱電勢為
e′z（t1,t2）=es（t1,t3）+ekx（t3,t2）（10）
如果正確使用s型偶補(bǔ)償導(dǎo)線sc,不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線自身誤差,儀表測量的總電勢為ez（t1,t2）=es（t1,t3）=es（t3,t2）（11）
由于選錯(cuò)了補(bǔ)償導(dǎo)線儀表測量值由此產(chǎn)生誤差為式（10）-式（11）
ez′-ez=ek（t3,t2）-es（t3,t2）-ek（t3,t2）-es（t3,t2）（12）
如果s型熱電偶工作溫度為900℃,控制間環(huán)境溫度為25℃,仍按照t3-t2=8℃,分別查s偶和k偶分度表,得出電勢差為
ek（t3,t2）-es（t3,t2）=0.278mv
儀表測量溫度比實(shí)際溫度高。如果儀表控制在900℃時(shí),實(shí)際值只有875.1℃,誤差24.9℃。
如果上述情況又將極性接反,儀表測量值偏高,儀表顯示900℃時(shí),實(shí)際溫度為933.2℃,誤差33.2℃。
3. 補(bǔ)償導(dǎo)線與導(dǎo)線混用
在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)由于補(bǔ)償導(dǎo)線不夠長用普通導(dǎo)線連接,或補(bǔ)償導(dǎo)線斷后接上一段普通導(dǎo)線,見圖6所示。
圖6中給出了2種補(bǔ)償導(dǎo)線和普通導(dǎo)線混用的情況。對于圖6（b）的情況,用中間導(dǎo)體定律來分析,假定熱電偶的型號為y（y表示熱電偶分度號中的任一種）,補(bǔ)償導(dǎo)線為yx,儀表測量端的總熱電勢為
e′z=ey（t1,t3）+eyx（t3,tn）+ec（tn,t2）（13）
如果tn與t2溫度基本相等,ec（tn,t2）=0,用導(dǎo)線連接沒有影響。
如果tn與t2溫度不相等,因?yàn)橛幸欢窝a(bǔ)償導(dǎo)線,接點(diǎn)tn也是遠(yuǎn)離熱工設(shè)備周圍,tn總是小于t3,在室溫下與t2差別不大時(shí),ec（tn,t2）電勢較小,用導(dǎo)線連接影響不大。
對于圖6（a）的情況,用中間導(dǎo)體定律來分析,為
e′z=ey（t1,t3）+eyx1c（tn1）+ecy1x（tn2）+etx（t3,t2）（14）
對于式（14）中,eyx1c（tn1）、ecy1x（tn2）、為補(bǔ)償導(dǎo)線中的任1個(gè)電極與連接導(dǎo)線的電勢。
如果tn1=tn2,eyx1c（tn1）+ecy1x（tn2）=0,中間連接導(dǎo)線沒有影響。
如果tn1≠tn2,eyx1c（tn1）+ecy1x（tn2）≠0,中間連接導(dǎo)線影響取決于補(bǔ)償導(dǎo)線的材料yx1與連接導(dǎo)線材料c的電勢以及tn1、tn2差值。eyx1c（tn1）+ecy1x（tn2）有可能是正,也有可能是負(fù)。折合成溫度值與采用的何種熱電偶有關(guān)。通常廉金屬熱電偶的微分電勢要大于貴金屬熱電偶。因此上述影響折合成溫度,貴金屬熱電偶影響要大些。
四、 補(bǔ)償導(dǎo)線使用中注意事項(xiàng)
1. 補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇
補(bǔ)償導(dǎo)線一定要根據(jù)所使用的熱電偶種類和所使用的場合進(jìn)行正確選擇。例如,k型偶應(yīng)該選擇k型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線,根據(jù)使用場合,選擇工作溫度范圍。通常kx工作溫度為-20～100℃,寬范圍的為-25～200℃。普通級誤差為±2.5℃,精密級為±1.5℃。
2. 接點(diǎn)連接
與熱電偶接線端2個(gè)接點(diǎn)盡可能近一點(diǎn),盡量保持2個(gè)接點(diǎn)溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度一致,儀表柜有風(fēng)扇的地方,接點(diǎn)處要保護(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。
3. 使用長度
因?yàn)闊犭娕嫉男盘柡艿?為微伏級,如果使用的距離過長,信號的衰減和環(huán)境中強(qiáng)電的干擾偶合,足可以使熱電偶的信號失真,造成測量和控制溫度不準(zhǔn)確,在控制中嚴(yán)重時(shí)會產(chǎn)生溫度波動。
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),通常使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的長度控制在15米內(nèi)比較好,如果超過15米,建議使用溫度變送器進(jìn)行傳送信號。溫度變送器是將溫度對應(yīng)的電勢值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送,抗干擾強(qiáng)。
4. 布線
補(bǔ)償導(dǎo)線布線一定要遠(yuǎn)離動力線和干擾源。在避免不了穿越的地方,也盡可能采用交叉方式,不要平行。
5. 屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線
為了提高熱電偶連接線的抗干擾性,可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線。對于現(xiàn)場干擾源較多的場合,效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴(yán)格接地,否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用,反而增強(qiáng)干擾。
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