引線熱電勢對熱電阻測溫系統結果影響分析

摘要：熱電阻測溫系統廣泛采用單向電流恒定激勵，通過測量熱電阻兩端電勢差獲得熱電阻阻值的方法進行溫度測量。而此類測溫系統受到測量引線熱電勢的影響，所測得熱電阻的阻值往往與實際阻值存在一定的偏差，從而影響測溫結果。對電路中熱電勢對熱電阻測溫結果產生影響的機理進行了分析，并通過實驗驗證了分析結果，提出了減小或消除熱電勢差對測溫結果影響的建議。
1引言
        在工業過程控制和實驗室測溫場合一般采用單向電流恒定激勵熱電阻的測溫方法，用這種測溫系統測溫時，測得的結果可能會與實際溫度存在一定偏差，特別在高溫測量和低溫測量時表現尤為明顯。同時可以發現，在其它條件不變的情況下，更換測量引線其溫度偏差的大小也隨之改變。本文通過熱電阻測溫系統的測量電路接線圖，分析了電路中影響測溫結果的熱電勢差產生原因。通過建立熱電阻測溫系統的數學模型，分析了電路中熱電勢對熱電阻測溫結果產生影響的機理。通過熱電阻測溫系統的測溫實驗，驗證了分析結果,提出了減小或消除熱電阻測溫系統中熱電勢差對測溫結果影響的方法田。
2熱電勢差對熱電阻測溫結果的影響
為了便于量化分析,以典型熱電阻測量系統為研究對象，進行分析。
2.1典型熱電阻測溫系統
        典型的熱電阻測溫系統有標準電阻溫度計測溫系統和工業熱電阻測溫系統，標準電阻溫度計以標準鉑電阻溫度計為常見，標準鉑電阻溫度計又分為長桿型和套管型兩種,如圖1、圖2所示。

        熱電阻的測量系統由熱電阻、延長線和測量儀.表構成,其中熱電阻又由感溫絲和引出線組成。長桿型和套管型兩種形式的標準鉑電阻溫度計均是由底端的鉑感溫絲作為溫度敏感部分，鉑感溫絲的兩端分別通過兩根鉑引出線引出石英或玻璃封裝管，鉑引出線的另一端連接四根導線用于連接測量儀表。長桿型標準鉑電阻溫度計用于-200℃以上的精度高溫度測量，套管型標準鉑電阻溫度計用于0℃以下溫度的精度高測量，工業熱電阻主要有工業鉑電阻和工業銅電阻。長桿型標準鉑電阻溫度計配.有較長的測量引線可直接連接測量儀表，而套管型標準鉑電阻溫度計、工業鉑電阻(元件)和工業銅電阻(元件)均需延長引出線后連接測量儀表。
2.2測量電路模型及熱電勢影響分析.
       以四線制熱電阻測溫為例建立溫度測量系統的電路模型，并對其進行分析。如圖3所示，熱電阻的感溫絲A處在等溫被測環境T中，測量儀表處于室溫環境T2中,T為T到T2的過渡段等溫區溫度。圖中B1~B4為焊接至感溫絲的引出線,C1~C4為延長線。引出線一端與感溫絲相連，另一端通過延長線連接至測量儀表。測量儀表測量端子與熱電阻感溫絲之間存在溫差，溫差主要分布于引出線或延.長線上。引出線或延長線產生熱電勢的能力不一致，在兩端存在溫差的情況下，各導線產生熱電勢大.小不一致，在測量端產生電勢差,對測溫結果產生影響。

        如圖4所示，引出線和延長線的兩端均可能存在由熱電勢引起的電勢差，其中由引出線的熱電勢引起的端子2、端子3間電勢差ΔE_B為

由延長線的熱電勢引起的端子2、端子3間電勢差ΔE_C為
ΔEc=e_c2-e_c3(2)
式中:eC2———延長線C2兩端的熱電勢差，mV;eC3———延長線C3兩端的熱電勢差，mV。
則端子2、端子3之間的熱電勢差ΔE為
ΔE=ΔE_B+ΔE_C(3)
實際測得的電阻值R'為

式中:E₁---熱電阻正向測溫時電壓測量端的熱電.勢差,mV。
熱電阻反向測溫(熱電阻引線對調)時，熱電阻測量值為

      由式(7)可知，熱電勢差對測溫結果的影響量與熱電勢差的大小成正比，與測量電流和熱電阻的溫度系數成反比。由式(12)可知，采用熱電阻換向測量求平均值的方法可以消除熱電勢差對測溫結果的影響。
3測量引線間的熱電勢差
       溫度測量系統測量引線間熱電勢差的大小與測量引線兩端的溫差和測量引線產生熱電勢能力的一致性有關，當測量引線的測溫端與測量端的溫差不變時,可通過選擇合適的測量引線減小測量端的熱電勢差。為了解和掌握各種型號測量引線間產生熱電勢差的大小，進行了如下實驗。選取不同型號導線，分別組合成若干組測量線，每組測量線由兩根導線組成。將每--組測量線的測溫端短路后置于-1969、0C、100C和200C環境中，將測量線的測量端連接數字多用表電壓測量端。實驗結果見表1、表2、表3。
表1同種型號同軸裁剪引線間的熱電勢差

        實驗結果表明,同型同線軸裁剪的測量引線組的熱電勢差相對最小，普通四芯電纜組成的測量引線組的熱電勢差相對最大，混合配對的測量引線的熱電勢也較大。
       表中，A代表0.35mm高溫線,B代表0.2mm裸銅線,C代表AF-1鍍銀銅線,D代表0.2mm鍍銀銅線,E代表AF-1裸銅線,F代表0.35mm裸銅線,G代表普通四芯電纜。表中ΔT₁為測量引線熱電勢差對Pt100型熱電阻測溫系統所帶來的測溫誤差ΔT₂為對Pt25型熱電阻測溫系統所帶來的測溫誤差,標準鉑電阻溫度計和標準套管鉑電阻溫度計均為Pt25型。表中的AA代表兩個A線組合成的測量線組,其余組合依次類推。


其中G測試的是四芯線其中兩芯之間的數據

4測溫系統實測實驗.
       用標準套管鉑電阻溫度計、長桿型標準鉑電阻溫度計和工業鉑電阻溫度計分別和數字多用表組成三個測溫系統，并用這三個測溫系統進行溫度實測實驗。
       用低溫標準套管鉑電阻溫度計測溫系統在-196℃和0℃進行測溫實驗，分別用普通四芯電纜和同軸裁剪的0.35mm高溫線作為延長線,實驗結果見表4。
      表中ΔR₁為電壓測量端的熱電勢差通過計算得到的熱電阻測量偏差ΔR₂為實際測得的熱電阻測量偏差Δt₁，為ΔR₁通過計算得到的溫度測量偏差,Δt₂為實際測得的溫度測量偏差。

       結果表明，測量引線熱電勢對測溫結果影響量Δt₁與實際測溫偏差Δt₂基本一致。
       分別用長桿型鉑電阻溫度計測溫系統和工業鉑電阻測溫系統在-196℃、0℃、100℃和200℃進行測溫實驗。長桿型鉑電阻溫度計使用普通四芯電纜作為測量引線，工業鉑電阻分別使用普通四芯電纜和同軸裁剪的0.35mm高溫線作為測量引線。測溫系統實測結果見表5。表中長桿標準鉑電阻溫度計編號為92801(PT25)，標準套管鉑電阻溫度計編號為9312(PT25),工業鉑電阻溫度計為PT100型溫度元件。

        實驗結果表明長桿型標準鉑電阻溫度計測溫系統在四個測量溫度點溫度測量偏差均很小,可忽略。經分析，其原因是由于標準鉑電阻溫度計92801為長桿型，溫度梯度主要分布于熱電勢能力一致性好的鉑引線上，而鉑引線的純度高,熱電勢一致性極好，鉑引線產生的熱電勢差很小，普通四芯電纜基本處于室溫下，室內溫度偏差較小，盡管延長線的熱電勢一致性差,但延長線引起的熱電勢差還是很小,因此測量引線熱電勢對長桿型標準鉑電阻溫度計測溫結果的影響很小。
       由同軸0.35mm高溫線和熱電阻組成的測溫系統，在四個測量點溫度測量偏差均很小，表明材質一致性好的測量引線對溫度測量結果的影響很小，甚至可忽略。
       由四芯同軸電纜線和熱電阻組成的測溫系統，在高低溫測量點溫度測量偏差均較大,表明材質一致性差的測量引線對溫度測量結果的影響較大。工業鉑電阻Pt100測溫系統測量時，被測物體溫度為-196℃，熱電勢差對測溫結果的影響可達到0.35℃;被測物體溫度為200℃,熱電勢對測溫結果的影響可達到0.1C。標準套管鉑電阻溫度計測溫.系統測溫時，當被測物體的溫度為-196℃,熱電勢對測溫結果的影響可達到1.50℃,應注意消除測量引線熱電勢對測量結果影響。
       Pt100測溫系統和9312測溫系統使用同種延長線時，由于Pt100的溫度靈敏度約為9312溫度靈敏度的四倍,因此在使用同樣的延長線時,熱電勢對Pt100測溫系統的影響量約為對9312測溫系統影響量的四分之一。
5結束語
       在實際測溫時，長桿型標準鉑電阻測溫系統在測溫不確定度要求不小于0.01C時可不考慮熱電勢對其測溫結果的影響。而對于套管型鉑電阻和工業熱.電阻測溫系統，應盡量選用熱電勢差較小的測量引線組進行測量，在測溫不確定度要求小于3C時，需采用熱電阻換向測量法消除熱電勢差影響。在三線制測溫，系統中,合理的選擇測量延長線同樣也可減小熱電勢對測溫結果的影響，提高測溫精度。
采用熱電阻換向測量法進行溫度測量，可以消除熱電勢差引起的溫度測量偏差，但缺點是多次測量和計算,麻煩、費時、費力。一般在滿足測量要求的情況下，可以采用單向溫度測量法,省時、省力。由于熱電勢差是由測量引線材質的不一致性和引線兩端的溫度梯度共同作用產生的，因此在選用測量引線時,建議使用同一型號、同一批次、甚至同--線軸上連續截取的純質導線作為測量線。由于熱電勢差對測溫結果的影響量與測量電流以及熱電阻靈敏度成反比，所以在測溫時，盡量選擇大的測量電流和選用靈敏度大的熱電阻，但應注意考慮大的測量電流引起的自熱效應對測溫結果的影響。