帶補償導線熱電偶測溫誤差分析與修正

[摘要]文章根據帶補償導線熱電偶的測溫原理，對測量誤差進行了分析,給出了配用補償導線熱電偶的測溫誤差修正方法。
　　熱電偶是通過測量電勢來測量溫度的一種感溫元件,它能將溫度信號轉化為相應的電勢值，再由顯示儀表顯示出來。熱電偶是基于熱電效應進行溫度測量的，焊接的一端叫測量端，未焊接的一端叫參考端。如果參考端溫度恒定，其熱電勢的大小只與組成熱電偶的兩種金屬材料的特性和測量端的溫度有關，而與偶絲的粗細、長度無關。因此要測溫，必須使參考端的溫度固定，一般固定在0℃,如果使用時參考端溫度不是0℃,則必須對參考端的溫度進行修正。
　　由熱電偶的測溫原理可知，只有當熱電偶的參考端溫度保持不變時，其熱電勢才是被測溫度的單值函數。但在實際應用中，由于熱電偶的參考端和測量端經常離的很近，而且參考端又暴露在空氣中，容易受到周圍環境溫度的影響，使參考端溫度難以保持恒定。為了消除因參考端溫度波動所引起的測量誤差，可將熱電偶做的很長，使其參考端遠離測量端。但這樣一來會造成熱電極材料的浪費，特別是對于由貴金屬組成的熱電極材料這樣做很不經濟。補償導線就是為解決這個問題而產生的，它的特點是在參考端溫度可能變化的范圍內(0℃~100℃或200℃),補償導線與相連接的熱電偶具有相同的熱電特性,熱電偶回路加入相應型號的補償導線后，其熱電勢僅與測量端溫度和補償導線與儀表連接處溫度有關，而與熱電偶本身參考端的溫度變化無關，就好像把熱電偶延長了一樣，所以在測溫中，使用熱電偶用補償導線，可以將熱電偶參考端延伸到遠離熱源和環境溫度較穩定的地方，以便于對參考端溫度進行修正，減少因參考端溫度過高和波動引起的測量誤差，達到正確測溫的目的。
　　由于補償導線的這些特性，目前在工業應用中，帶補償導線熱電偶進行測溫非常普遍，有關使用手冊中規定補償導線的使用溫度范圍為0℃~100℃或者0℃~150℃。因而，人們經常會誤認為只要補償導線與熱電偶的連接處溫度在規定溫度范圍內，測溫就是正確的。而實際并非如此，連接點的溫度高低直接影響著溫度測量誤差的大小。本文就此根據熱電偶配用補償導線測溫原理，分析其測量誤差，提出誤差的修正方法，并闡述使用中的問題和應該注意的事項。
1熱電偶配用補償導線測溫原理
　　熱電偶與補償導線的連接方式如圖1。
 
　　圖1中A、B為兩種不同材料的熱電偶絲，A1、B1為相應熱電偶的補償導線，根據熱電偶連接導線定律，其回路總的熱電勢為:
 
　　式中:t1為偶絲和補償導線連接點的溫度;t0為補償導線與儀表連接處溫度;t為測量端溫度。
　　在保持熱電偶及其補償導線的物理化學熱穩定性的前提下，當溫度在0℃~100℃的前提下，下式近似成立:
 
(3)式就是熱電偶使用補償導線的測溫原理，公式說明，使用補償導線后,相當于把熱電偶的參考端溫度從t1移到溫度t0處，但此種情況成立的前提條件是
(2)式成立，既然(2)式是近似公式，那么測量中就會引人誤差。
2熱電偶配用補償導線測溫誤差分析
　　對于同一介質溫度,使用熱電偶和同一偶絲材料作延長線測溫和使用熱電偶和別的金屬材料作補償導線測溫這兩種測溫方法分別如圖2和圖3。
 
　　(6)式說明兩種測溫體系存在差值，兩種測溫體系測得的熱電勢差值為在溫差t1-t0熱電偶偶絲與補償導線的熱電勢之差，這個差值便是使用補償導線后引入的誤差。△E是1和t0的函數，在t0不變時，△E只與t1有關。也就是說，使用補償導線引人的測量誤差與偶絲和補償導線連接點處的溫度有關，知道了熱電偶材料、補償導線材料和連接點處溫度之后，這個測量誤差是可以修正的。
　　表1是鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶和補償導線銅一康銅在t0=0℃,t1=0℃~200℃時的熱電偶及它們之間的差值。
 
　　從表1中可以清楚看出，在連接點溫度為0℃~40℃范圍時，鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶和銅-康銅補償導線的電勢幾乎相同，它們的差值對測量結果影響很小，隨著連接點溫度的升高，差值逐漸增大，使用補償導線帶來的誤差也越來越大，必須加以修正。
3熱電偶配用補償導線測量溫度時的誤差修正
　　由前面分析可知，測量誤差引入的根本原因是由于熱電偶和補償導線在去一切下的熱電勢不同造成的，即△E≠0是產生誤差的根本原因。但在進行測溫誤差修正時不能簡單地把△E的mV值轉化為溫度，原因是熱電偶的mV~℃關系不是線性的，應按下面方法進行修正。
(1)先得出連接點q的溫度值;
(2)根據熱電偶補償導線的材料，在其相應的分度表中查出該材料在h溫度點所對應的熱電勢值EA1B1(t1,t0);
(3)根據熱電偶的分度號在其對應的分度表中查出該熱電偶材料在t1溫度點所對應的熱電勢值EAB(t1，t0);
(4)計算EAB(t1，t0)和EA1B1(t1，t0)的差值;
(5)記錄儀表指示溫度t,根據熱電偶分度表查出E2的值;
(6)將第(4)、(5)步求出的值帶人公式(6),求得E1的值;
(7)按E1重新查熱電偶分度表即得到真實溫度t。
應用舉例:
　　用鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶，配銅-康銅補償導線測量某-介質溫度，已知熱電偶和補償導線連接點處溫度t1=80℃,儀表顯示值為200℃，參考端溫度t0=0℃，求介質的實際溫度。
　　分別查熱電偶和補償導線分度表可知，在80C時，熱電偶對應的熱電勢EAB(t1，t0)=EAB(80,0)=3.267mV;補償導線對應的熱電勢EA1B1(t1，t0)=EA1B1(80,0)=3.358mV。
所以△E=EAB(t1，t0)-EA1B1(t1，t0)=(3.267-3.358)mV=-0.091mV。
　　由儀表顯示值為200℃,查熱電偶分度表可得熱電偶配用補償導線時的電勢值E2=8.138mV,由公式(4)、(5)、(6)可得熱電偶測溫時的介質的實際溫度為:
E1-E2=EAB(t1，t0)-EA1B1(t1，t0)=△E
E1=△E+E2=(-0.091+8.138)mV=8.047mV
　　查熱電偶分度表可得實際溫度t=197.79C，即介質的測量溫度與真實溫度存在著2.3C的誤差。經驗表明，使用鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶配用銅-康銅補償導線測溫,熱電偶和補償導線連接點的溫度在0℃~50℃之間比較合適，連接點溫度過高或者過低，都應該進行誤差修正，以免由于測溫誤差過大帶來不良后果。
　　對于其他分度號的熱電偶配用補償導線，也可根據本文提示的方法進行誤差修正。