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。
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)由于設備安裝人員將熱電偶正負極接反,且補償導線(xiàn)還存在多接頭現象,再加上設備使用人員對此知識的貧乏,在工作中因爐溫不正確導致?tīng)t內產(chǎn)品報廢,直接經(jīng)濟損失達一百多萬(wàn)元,教訓不可謂不深刻。
實(shí)際上在眾多熱電偶測溫現場(chǎng),筆者發(fā)現用普通銅導線(xiàn)作連線(xiàn)的占40%,而使用補償導線(xiàn)作連接線(xiàn)的僅占60%。究其原因有二：
一是由于熱電偶設備使用操作人員不了解補償導線(xiàn)功能,認為既然只要起到連接作用,普通導線(xiàn)即可。
二是設備制造商在安裝熱電偶時(shí),用的連接線(xiàn)即為普通導線(xiàn),而在使用者角度總認為設備安裝人員都是專(zhuān)業(yè)人員,做法總是正確的,沒(méi)能引起應有的懷疑。
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(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（見(jiàn)圖1）稱(chēng)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(huì )產(chǎn)生電勢,通常稱(chēng)為熱電勢。當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項大小相等,符號相反。
為了統一熱電偶材料并進(jìn)行規范,******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,便于查閱和計算。
這樣相對于圖1中的形式,公式（1）轉化為
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(wú)法測量；右圖為目前實(shí)際使用的測量電路,在熱電偶的2極用測量導線(xiàn)連接,根據熱電偶中間導體定律,只要右圖中接點(diǎn)j2、j3的溫度相同,均為t2,并且連接導線(xiàn)均為同種均質(zhì)材料,圖1中的右圖與左圖是等效的。
二 熱電偶補償導線(xiàn)
1. 連接導體定律和中間溫度定律
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,如圖2。
實(shí)際應用中,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。
2. 在工業(yè)溫度測量和溫度控制中正確使用補償導線(xiàn)
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(jiǎn)稱(chēng)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,需使用補償導線(xiàn)連接。由于熱電偶和補償導線(xiàn)均有正負極,故接線(xiàn)時(shí)應該正極與正極連接,負極與負極連接。見(jiàn)圖3所示。
圖3中由于t3和t2的溫度差會(huì )給測量帶來(lái)誤差,補償導線(xiàn)的作用就是補償t3和t2,不同種類(lèi)的熱電偶,要使用相應型號的補償導線(xiàn),不同型號的補償導線(xiàn)不能混用。
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極連接是正確的,以k型偶為例見(jiàn)圖4所示。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,難以辨認；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（t1,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
e′z=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。
如果不能確定熱電偶補償導線(xiàn)極性時(shí),可以取一段補償導線(xiàn),將一端絕緣去掉后擰在一起,放在熱水杯中,用普通萬(wàn)用表直流電壓量程***低檔測量另一端的2根線(xiàn),萬(wàn)用表上會(huì )顯示測量電壓的正負,信號的正極為補償導線(xiàn)的正極。
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,如圖5所示。
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=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. 補償導線(xiàn)與導線(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)斷后接上一段普通導線(xiàn),見(jiàn)圖6所示。
圖6中給出了2種補償導線(xiàn)和普通導線(xiàn)混用的情況。對于圖6（b）的情況,用中間導體定律來(lái)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）,補償導線(xiàn)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,用導線(xiàn)連接沒(méi)有影響。
如果tn與t2溫度不相等,因為有一段補償導線(xiàn),接點(diǎn)tn也是遠離熱工設備周?chē)?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,用導線(xiàn)連接影響不大。
對于圖6（a）的情況,用中間導體定律來(lái)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）、為補償導線(xiàn)中的任1個(gè)電極與連接導線(xiàn)的電勢。
如果tn1=tn2,eyx1c（tn1）+ecy1x（tn2）=0,中間連接導線(xiàn)沒(méi)有影響。
如果tn1≠tn2,eyx1c（tn1）+ecy1x（tn2）≠0,中間連接導線(xiàn)影響取決于補償導線(xiàn)的材料yx1與連接導線(xiàn)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。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。例如,k型偶應該選擇k型偶的補償導線(xiàn),根據使用場(chǎng)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(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)溫度一致。與儀表接線(xiàn)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)。
根據我們的經(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。
4. 布線(xiàn)
補償導線(xiàn)布線(xiàn)一定要遠離動(dòng)力線(xiàn)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. 屏蔽補償導線(xiàn)
為了提高熱電偶連接線(xiàn)的抗干擾性,可以采用屏蔽補償導線(xiàn)。對于現場(chǎng)干擾源較多的場(chǎng)合,效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴格接地,否則屏蔽層不僅沒(méi)有起到屏蔽的作用,反而增強干擾。
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