如何正確使用熱電偶補償導線

     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。
   
    關鍵詞 熱電偶 補償導線　使用方法　誤差
   
    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。
   
    某鋼管生產企業新引進的一套球化爐裝置,裝置的二十多個測溫點由于設備安裝人員將熱電偶正負極接反,且補償導線還存在多接頭現象,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爐內產品報廢,直接經濟損失達一百多萬元,教訓不可謂不深刻。
   
    實際上在眾多熱電偶測溫現場,筆者發現用普通銅導線作連線的占40%,而使用補償導線作連接線的僅占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功能,認為既然只要起到連接作用,普通導線即可。
   
    二是設備制造商在安裝熱電偶時,用的連接線即為普通導線,而在使用者角度總認為設備安裝人員都是專業人員,做法總是正確的,沒能引起應有的懷疑。
    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（見圖1）稱為熱電偶。A、B材料2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的材料一定時,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）--—A、B接點溫度為T1時的電勢。
    eAB（T2）、eBA（T1）--—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,統一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0℃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（T1,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（T1,T0）和EAB（T2,T0）。
   
    圖1中左圖為原理圖,該圖中對于熱電勢無法測量；右圖為目前實際使用的測量電路,在熱電偶的2極用測量導線連接,根據熱電偶中間導體定律,只要右圖中接點J2、J3的溫度相同,均為T2,并且連接導線均為同種均質材料,圖1中的右圖與左圖是等效的。
   
    二 熱電偶補償導線
   
    1. 連接導體定律和中間溫度定律
   
    首先我們來分析熱電偶的連接導體定律和中間溫度定律,如圖2。
   
    實際應用中,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。
    2. 在工業溫度測量和溫度控制中正確使用補償導線
    工業溫度測量、控制中,熱電偶使用的位置總是距測量、控制表（下面簡稱儀表）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,需使用補償導線連接。由于熱電偶和補償導線均有正負極,故接線時應該正極與正極連接,負極與負極連接。見圖3所示。
    圖3中由于T3和T2的溫度差會給測量帶來誤差,補償導線的作用就是補償T3和T2,不同種類的熱電偶,要使用相應型號的補償導線,不同型號的補償導線不能混用。
    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極連接是正確的,以K型偶為例見圖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產品很多標注不規范,難以辨認；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（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,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型偶,微分電勢值基本在40℃/（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。
    如果不能確定熱電偶補償導線極性時,可以取一段補償導線,將一端絕緣去掉后擰在一起,放在熱水杯中,用普通萬用表直流電壓量程低檔測量另一端的2根線,萬用表上會顯示測量電壓的正負,信號的正極為補償導線的正極。
    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,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=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一段普通導線,見圖6所示。
    圖6中給出了2種補償導線和普通導線混用的情況。對于圖6（B）的情況,用中間導體定律來分析,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,用導線連接沒有影響。
    　　如果Tn與T2溫度不相等,因為有一段補償導線,接點Tn也是遠離熱工設備周圍,Tn總是小于T3,在室溫下與T2差別不大時,EC（Tn,T2）電勢較小,用導線連接影響不大。
    對于圖6（A）的情況,用中間導體定律來分析,為
    E′Z=EY（T1,T3）+eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）+ETX（T3,T2）（14）
    對于式（14）中,eYX1C（Tn1）、eCY1X（Tn2）、為補償導線中的任1個電極與連接導線的電勢。
    如果Tn1=Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）=0,中間連接導線沒有影響。
    如果Tn1≠Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）≠0,中間連接導線影響取決于補償導線的材料YX1與連接導線材料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。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。例如,K型偶應該選擇K型偶的補償導線,根據使用場合,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個接點溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度一致,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。
    根據我們的經驗,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。
    4. 布線
    補償導線布線一定要遠離動力線和干擾源。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
    為了提高熱電偶連接線的抗干擾性,可以采用屏蔽補償導線。對于現場干擾源較多的場合,效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴格接地,否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用,反而增強干擾。

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