溫度測量中熱電偶補償導線的正確使用

摘要:在使用熱電偶進行溫度測量中,熱電偶補償導線的使用比較普遍。但經調查發現,很多地方由于沒有正確使用補償導線而出現很多問題。本文介紹了補償導線的原理,對常見錯誤使用的形式進行歸納,同時從理論上分析所產生的偏差,指出正確使用方法和注意事項。
　　熱電偶補償導線已經廣泛用于熱電偶溫度測量中。如果了解了熱電偶補償導線的原理、功能、作用方法和注意事項，就能充分發揮熱電偶補償導線的作用,否則就會適得其反。在工業生產中,雖然熱電偶作為溫度傳感器,已經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，嚴重時會直接造成經濟損失,所以應該引起重視。
一、熱電偶的測溫原理簡介
　　由2種不同均質材料A、B組成的回路稱為熱電偶。A.B材料兩端連接的接點分別用J1、J2表示,如果J1、J2的接點溫度T1和T2不一樣,在回路中就會產生電勢,通常稱為熱電勢。當A.B的材料--定時,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,接點溫度T1、T2之間的溫差電勢。
eAB(T1)一A.B接點溫度為T1時的電勢。
eAB(T2)、eBA(T1)一A.B接點溫度為T2時的電勢,這2項大小相等,符號相反。
　　為了統一熱電偶材料并進行規范國家有關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系,統一為相對于0C時的電勢值,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
　　首先我們來分析熱電偶的連接導體定律和中間溫度定律。
　　實際應用中,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償導線。因為熱電偶的種類較多，所以熱電偶補償導線的種類也較多。
三、常見補償導線使用中的錯誤和產生的誤差
1.熱電偶補償導線正負極與熱電偶接反
　　如果將熱電偶補償導線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產品很多標注不規范，難以辯認;有些甚至是生產廠家將顏色標錯。下面分析由于這種情況所產生的誤差。
　　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,有
E’KX(T3,T2)=-EKX(T3,T2)=--EK(T3,T2)(8)
　　計算,儀表測量值由此產生誤差為
EZ'-EZ=EK(T1,T3)-EK(T3,T2)-EK(T1,T3)-EK(T3,T2)=-2EK(T3,T2)(9)
　　一般工業爐附近的溫度,至少比控制間的溫度高8℃。那么由此產生誤差正好是補償導線補償值的2倍。對于K型熱電偶，微分電勢值基本在40C/(μV)左右,測量溫度大約比實際溫度低16℃。如果控制溫度設定在600℃,實際溫度應該在616℃左右。
　　從上面的分析可以看出,當熱電偶補償導線正負極接反,不僅沒有起到補償作用,誤差比不接補償導線還增加一倍,因此補償導線在連接時一定要注意極性。
2.使用的補償導線型號不對
　　同種補償導線配同種熱電偶，如果所選的補償導線種類不對,一樣產生誤差。假設使用S型熱電偶，選擇了K型偶的補償導線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SC,不考慮補償導線自身誤差,儀表測量的總電勢為EZ(T1,T2)=ES(T1,T3)+ES(T3,T2)(11)
　　由于選錯了補償導線儀表測量值由此產生誤差為式(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
　　儀表測量溫度比實際溫度高。如果儀表控制在900℃時,實際值只有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,實際溫度為933.2℃,誤差33.2℃。
3.補償導線與普通導線混用
　　在實際應用中,經常會發現由于補償導線不夠長用普通導線連接，或補償導線斷后接上-段普通導線。
四、補償導線使用中注意事項
1.補償導線的選擇
　　補償導線一定要根據所使用的熱電偶種類和所使用的場合進行正確選擇。
2.接點連接
　　與熱電偶接線端2個接點盡可能近-一點，盡量保持2個接點溫度-致。與儀表接線端連接處盡可能溫度-致,儀表柜有風扇的地方,接點處要保護不要使得風扇直吹到接點。
3.使用長度
　　因為熱電偶的信號很低，為微伏級,如果使用的距離過長，信號的衰減和環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,在控制中嚴重時會產生溫度波動。根據經驗,通常使用熱電偶補償導線的長度控制在15米內比較好,如果超過15米，建議使用溫度變送器進行傳送信號。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。