溫度測量中熱電偶補償導線(xiàn)的正確使用

摘要:在使用熱電偶進(jìn)行溫度測量中,熱電偶補償導線(xiàn)的使用比較普遍。但經(jīng)調查發(fā)現,很多地方由于沒(méi)有正確使用補償導線(xiàn)而出現很多問(wèn)題。本文介紹了補償導線(xiàn)的原理,對常見(jiàn)錯誤使用的形式進(jìn)行歸納,同時(shí)從理論上分析所產(chǎn)生的偏差,指出正確使用方法和注意事項。
　　熱電偶補償導線(xiàn)已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測量中。如果了解了熱電偶補償導線(xiàn)的原理、功能、作用方法和注意事項，就能充分發(fā)揮熱電偶補償導線(xiàn)的作用,否則就會(huì )適得其反。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(huì )給測溫和控溫造成很大的偏離，嚴重時(shí)會(huì )直接造成經(jīng)濟損失,所以應該引起重視。
一、熱電偶的測溫原理簡(jiǎn)介
　　由2種不同均質(zhì)材料A、B組成的回路稱(chēng)為熱電偶。A.B材料兩端連接的接點(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(huì )產(chǎn)生電勢,通常稱(chēng)為熱電勢。當A.B的材料--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)一A.B接點(diǎn)溫度為T(mén)1時(shí)的電勢。
eAB(T2)、eBA(T1)一A.B接點(diǎn)溫度為T(mén)2時(shí)的電勢,這2項大小相等,符號相反。
　　為了統一熱電偶材料并進(jìn)行規范國家有關(guān)標準規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--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,統一為相對于0C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,便于查閱和計算。
　　這樣相對于圖1中的形式,公式(1)轉化為
EAB(TI,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(TI,T0)和EAB(T2,T0)。
二熱電偶補償導線(xiàn)
　　首先我們來(lái)分析熱電偶的連接導體定律和中間溫度定律。
　　實(shí)際應用中,測量和控制儀表與熱電偶總是有一段距離。中間的材料C、D也是2種均質(zhì)材料,根據熱電偶的中間導體定律,可以導出測量的總電勢EZ的表達式為:
EZ=EAB(T1,T3)+ECD(T3,T2)(3)
　　式(3)就是熱電偶連接導體定律。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,表達式為:
EAB(T1,T2)=EZ=EAB(T1,T3)+EAB(T3,T2)　　　(4)
式(4)中T3稱(chēng)為中間溫度,所以也稱(chēng)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(mǎn)足式(5)的材料我們稱(chēng)為熱電偶的補償導線(xiàn)。因為熱電偶的種類(lèi)較多，所以熱電偶補償導線(xiàn)的種類(lèi)也較多。
三、常見(jiàn)補償導線(xiàn)使用中的錯誤和產(chǎn)生的誤差
1.熱電偶補償導線(xiàn)正負極與熱電偶接反
　　如果將熱電偶補償導線(xiàn)的正負極與熱電偶正負極接反,而熱電偶的正負極與儀表的正負極連接是正確的,以K型偶為例。這種錯誤在應用中比較普遍，因為連接后,被控制對象的溫度變化趨勢與顯示儀表是一致的。加之目前熱電偶補償導線(xiàn)產(chǎn)品很多標注不規范，難以辯認;有些甚至是生產(chǎn)廠(chǎng)家將顏色標錯。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(TI,T3)+EKX(T3,T2)=EK(T1,T3)+EK(T3,T2)=EK(T1,T2)(6)
　　因為連接的錯誤,根據中間導體定律,儀表所接收的總熱電勢為
EZ=EK(T1,T3)+EKX(T3,T2)(7)
　　對于KX延伸型補償導線(xiàn),有
E’KX(T3,T2)=-EKX(T3,T2)=--EK(T3,T2)(8)
　　計算,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)生誤差正好是補償導線(xiàn)補償值的2倍。對于K型熱電偶，微分電勢值基本在40C/(μV)左右,測量溫度大約比實(shí)際溫度低16℃。如果控制溫度設定在600℃,實(shí)際溫度應該在616℃左右。
　　從上面的分析可以看出,當熱電偶補償導線(xiàn)正負極接反,不僅沒(méi)有起到補償作用,誤差比不接補償導線(xiàn)還增加一倍,因此補償導線(xiàn)在連接時(shí)一定要注意極性。
2.使用的補償導線(xiàn)型號不對
　　同種補償導線(xiàn)配同種熱電偶，如果所選的補償導線(xiàn)種類(lèi)不對,一樣產(chǎn)生誤差。假設使用S型熱電偶，選擇了K型偶的補償導線(xiàn)KX。
　　根據中間導體定律,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型偶補償導線(xiàn)SC,不考慮補償導線(xiàn)自身誤差,儀表測量的總電勢為EZ(T1,T2)=ES(T1,T3)+ES(T3,T2)(11)
　　由于選錯了補償導線(xiàn)儀表測量值由此產(chǎn)生誤差為式(10)-式(11)
EZ'-EZ=EKX(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
EKX(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.補償導線(xiàn)與普通導線(xiàn)混用
　　在實(shí)際應用中,經(jīng)常會(huì )發(fā)現由于補償導線(xiàn)不夠長(cháng)用普通導線(xiàn)連接，或補償導線(xiàn)斷后接上-段普通導線(xiàn)。
四、補償導線(xiàn)使用中注意事項
1.補償導線(xiàn)的選擇
　　補償導線(xiàn)一定要根據所使用的熱電偶種類(lèi)和所使用的場(chǎng)合進(jìn)行正確選擇。
2.接點(diǎn)連接
　　與熱電偶接線(xiàn)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-致。與儀表接線(xiàn)端連接處盡可能溫度-致,儀表柜有風(fēng)扇的地方,接點(diǎn)處要保護不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。
3.使用長(cháng)度
　　因為熱電偶的信號很低，為微伏級,如果使用的距離過(guò)長(cháng)，信號的衰減和環(huán)境中強電的干擾偶合,足可以使熱電偶的信號失真,造成測量和控制溫度不準確,在控制中嚴重時(shí)會(huì )產(chǎn)生溫度波動(dòng)。根據經(jīng)驗,通常使用熱電偶補償導線(xiàn)的長(cháng)度控制在15米內比較好,如果超過(guò)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的電勢值轉換成直流電流傳送,抗干擾強。