如何正確使用熱電偶補償導線

　　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。本文介紹了詳細原理,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。如果了解了原理、功能、作用方法和注意事項,就能充分發揮作用,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、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,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。
 

　　為了統一材料并進行規范,國家有關標準規定了組成材料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,在的2極用測量導線連接,根據中間導體定律,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。因為種類較多,所以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,作用就是補償t3和t2,不同種類的,要使用相應型號的產品，不能混用。
 

　　三、 常見使用中的錯誤和產生的誤差
 

　　1. 正負極與熱電偶接反
 

　　如果將正負極與熱電偶正負極接反,而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其補償值的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,因此其在連接時一定要注意極性。
 

　　如果不能確定極性時,可以取一段產品,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zui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,信號的正極為其正極。
 

　　2. 使用的補償導線型號不對
 

　　同種產品配同種熱電偶,如果所選的種類不對,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,經常會發現由于不夠長用普通導線連接,或斷后接上一段普通導線,見圖6所示。
 

　　圖6中給出了2種該產品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,假定熱型號為y(y表示分度號中的任一種),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)、為其中的任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,貴金屬影響要大些。
 

　　四、 使用中注意事項
 

　　1. 選擇
 

　　一定要根據所使用的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
 

　　1為信號很低,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。
 

　　1據我們的經驗,通常使用長度控制在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
 

　　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
 

　　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。
 

　　；景向前