如何正確使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 2007-4-5 |
作者：施建政 林 松 |
單位：江蘇省張家港質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計(jì)量測(cè)試所 |
| 摘 要 在使用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量中，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的使用比較普遍。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多地方由于沒(méi)有正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線而出現(xiàn)很多問(wèn)題。本文介紹了補(bǔ)償導(dǎo)線的原理，對(duì)常見(jiàn)錯(cuò)誤使用的形式進(jìn)行歸納，同時(shí)從理論上分析所產(chǎn)生的偏差，指出正確使用方法和注意事項(xiàng)。 關(guān)鍵詞 熱電偶 補(bǔ)償導(dǎo)線 使用方法 誤差 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測(cè)量中。如果了解了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的原理、功能、作用方法和注意事項(xiàng)，就能充分發(fā)揮熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用，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(cè)溫點(diǎn)由于設(shè)備安裝人員將熱電偶正負(fù)極接反，且補(bǔ)償導(dǎo)線還存在多接頭現(xiàn)象，再加上設(shè)備使用人員對(duì)此知識(shí)的貧乏，在工作中因爐溫不正確導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)產(chǎn)品報(bào)廢，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)一百多萬(wàn)元，教訓(xùn)不可謂不深刻。 實(shí)際上在眾多熱電偶測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，筆者發(fā)現(xiàn)用普通銅導(dǎo)線作連線的占40%，而使用補(bǔ)償導(dǎo)線作連接線的僅占60%。究其原因有二： 一是由于熱電偶設(shè)備使用操作人員不了解補(bǔ)償導(dǎo)線功能，認(rèn)為既然只要起到連接作用，普通導(dǎo)線即可。 二是設(shè)備制造商在安裝熱電偶時(shí)，用的連接線即為普通導(dǎo)線，而在使用者角度總認(rèn)為設(shè)備安裝人員都是專業(yè)人員，做法總是正確的，沒(méi)能引起應(yīng)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(cè)量和控制，人們對(duì)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(cè)溫和控溫造成很大的偏離，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接造成經(jīng)濟(jì)損失，所以應(yīng)該引起重視。 一、熱電偶的測(cè)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(shì)，通常稱為熱電勢(shì)。當(dāng)A、B的材料一定時(shí)，熱電勢(shì)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(shì)。 eAB（T1)———A、B接點(diǎn)溫度為T1時(shí)的電勢(shì)。 eAB（T2）、eBA（T1）———A、B接點(diǎn)溫度為T2時(shí)的電勢(shì)，這2項(xiàng)大小相等，符號(hào)相反。 為了統(tǒng)一熱電偶材料并進(jìn)行規(guī)范，國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(tǒng)一用一個(gè)字母命名型號(hào)，如K型、S型等。為了使用方便，將各種型號(hào)的熱電偶溫度值與電勢(shì)關(guān)系，統(tǒng)一為相對(duì)于0℃時(shí)的電勢(shì)值，這里用T0表示，制成各種型號(hào)的熱電偶分度表，便于查閱和計(jì)算。 這樣相對(duì)于圖1中的形式，公式（1）轉(zhuǎn)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(duì)于熱電勢(shì)無(wú)法測(cè)量；右圖為目前實(shí)際使用的測(cè)量電路，在熱電偶的2極用測(cè)量導(dǎo)線連接，根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)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(dǎo)線均為同種均質(zhì)材料，圖1中的右圖與左圖是等效的。 二 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線 1. 連接導(dǎo)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(dǎo)體定律和中間溫度定律，如圖2。 實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)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(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律，可以導(dǎo)出測(cè)量的總電勢(shì)EZ的表達(dá)式為： EZ=EAB（T1，T3）+ECD（T3，T2） （3） 式(3)就是熱電偶連接導(dǎo)體定律。如果連接的不是一段，總電勢(shì)EZ同樣為各個(gè)部分之和。在圖2的測(cè)量中，我們希望測(cè)量端的總電勢(shì)為熱電偶EAB（T1，T2），便于控制儀表測(cè)量中不至于中間連接產(chǎn)生附加電勢(shì)，表達(dá)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(bǔ)償導(dǎo)線。因?yàn)闊犭娕嫉姆N類較多，所以熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的種類也較多。 2. 在工業(yè)溫度測(cè)量和溫度控制中正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線 工業(yè)溫度測(cè)量、控制中，熱電偶使用的位置總是距測(cè)量、控制表（下面簡(jiǎn)稱儀表）有一定的距離，因而從熱電偶的輸出端到測(cè)量、控制表的輸入端，需使用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線均有正負(fù)極，故接線時(shí)應(yīng)該正極與正極連接，負(fù)極與負(fù)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(cè)量帶來(lái)誤差，補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是補(bǔ)償T3和T2,不同種類的熱電偶，要使用相應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，不同型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線不能混用。 三、 常見(jiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線使用中的錯(cuò)誤和產(chǎn)生的誤差 1. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極與熱電偶接反 如果將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶正負(fù)極接反，而熱電偶的正負(fù)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(cuò)誤在應(yīng)用中比較普遍，因?yàn)檫B接后，被控制對(duì)象的溫度變化趨勢(shì)與顯示儀表是一致的。加之目前熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)品很多標(biāo)注不規(guī)范，難以辨認(rèn)；有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標(biāo)錯(cuò)。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(shì)為 EZ=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）=EK（T1，T3）+EK（T3，T2） =EK（T1，T2）（6） 因?yàn)檫B接的錯(cuò)誤，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，儀表所接收的總熱電勢(shì)為 E′Z=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）（7） 對(duì)于KX延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線，有 E′KX（T3，T2）=-EKX（T3，T2）=-EK（T3，T2）（8） 計(jì)算，儀表測(cè)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(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償值的2倍。對(duì)于K型偶，微分電勢(shì)值基本在40℃/（μV）左右，測(cè)量溫度大約比實(shí)際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃，實(shí)際溫度應(yīng)該在616℃左右。 從上面的分析可以看出，當(dāng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極接反，不僅沒(méi)有起到補(bǔ)償作用，誤差比不接補(bǔ)償導(dǎo)線還增加一倍，因此補(bǔ)償導(dǎo)線在連接時(shí)一定要注意極性。 如果不能確定熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線極性時(shí)，可以取一段補(bǔ)償導(dǎo)線，將一端絕緣去掉后擰在一起，放在熱水杯中，用普通萬(wàn)用表直流電壓量程最低檔測(cè)量另一端的2根線，萬(wàn)用表上會(huì)顯示測(cè)量電壓的正負(fù)，信號(hào)的正極為補(bǔ)償導(dǎo)線的正極。 2. 使用的補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)不對(duì) 同種補(bǔ)償導(dǎo)線配同種熱電偶，如果所選的補(bǔ)償導(dǎo)線種類不對(duì)，一樣產(chǎn)生誤差。假設(shè)使用S型熱電偶，選擇了K型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線KX，如圖5所示。 根據(jù)中間導(dǎo)體定律，儀表所接收的總熱電勢(shì)為 E′Z（T1，T2）=ES（T1，T3）+EKX（T3，T2）（10） 如果正確使用S型偶補(bǔ)償導(dǎo)線SC，不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線自身誤差，儀表測(cè)量的總電勢(shì)為EZ（T1，T2）=ES（T1，T3）=ES（T3，T2）（11） 由于選錯(cuò)了補(bǔ)償導(dǎo)線儀表測(cè)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(shì)差為 EK（T3，T2）-ES（T3，T2）=0.278mV 儀表測(cè)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(cè)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(bǔ)償導(dǎo)線與導(dǎo)線混用 在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)由于補(bǔ)償導(dǎo)線不夠長(zhǎng)用普通導(dǎo)線連接，或補(bǔ)償導(dǎo)線斷后接上一段普通導(dǎo)線，見(jiàn)圖6所示。 圖6中給出了2種補(bǔ)償導(dǎo)線和普通導(dǎo)線混用的情況。對(duì)于圖6(B)的情況，用中間導(dǎo)體定律來(lái)分析，假定熱電偶的型號(hào)為Y（Y表示熱電偶分度號(hào)中的任一種），補(bǔ)償導(dǎo)線為YX，儀表測(cè)量端的總熱電勢(shì)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(dǎo)線連接沒(méi)有影響。 如果Tn與T2溫度不相等，因?yàn)橛幸欢窝a(bǔ)償導(dǎo)線，接點(diǎn)Tn也是遠(yuǎn)離熱工設(shè)備周圍，Tn總是小于T3，在室溫下與T2差別不大時(shí)，EC（Tn，T2)電勢(shì)較小，用導(dǎo)線連接影響不大。 對(duì)于圖6(A)的情況，用中間導(dǎo)體定律來(lái)分析，為 E′Z=EY（T1，T3）+eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）+ETX（T3，T2）（14） 對(duì)于式(14)中，eYX1C（Tn1）、eCY1X（Tn2）、為補(bǔ)償導(dǎo)線中的任1個(gè)電極與連接導(dǎo)線的電勢(shì)。 如果Tn1=Tn2，eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）=0，中間連接導(dǎo)線沒(méi)有影響。 如果Tn1≠Tn2，eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）≠0，中間連接導(dǎo)線影響取決于補(bǔ)償導(dǎo)線的材料YX1與連接導(dǎo)線材料C的電勢(shì)以及Tn1、Tn2差值。eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）有可能是正，也有可能是負(fù)。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(shì)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(bǔ)償導(dǎo)線使用中注意事項(xiàng) 1. 補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇 補(bǔ)償導(dǎo)線一定要根據(jù)所使用的熱電偶種類和所使用的場(chǎng)合進(jìn)行正確選擇。例如，K型偶應(yīng)該選擇K型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，根據(jù)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(jí)誤差為±2.5℃，精密級(jí)為±1.5℃。 2. 接點(diǎn)連接 與熱電偶接線端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(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。 3. 使用長(zhǎng)度 因?yàn)闊犭娕嫉男盘?hào)很低，為微伏級(jí)，如果使用的距離過(guò)長(zhǎng)，信號(hào)的衰減和環(huán)境中強(qiáng)電的干擾偶合，足可以使熱電偶的信號(hào)失真，造成測(cè)量和控制溫度不準(zhǔn)確，在控制中嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度波動(dòng)。 根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，通常使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的長(zhǎng)度控制在15米內(nèi)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(hào)。溫度變送器是將溫度對(duì)應(yīng)的電勢(shì)值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送，抗干擾強(qiáng)。 4. 布線 補(bǔ)償導(dǎo)線布線一定要遠(yuǎn)離動(dòng)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(bǔ)償導(dǎo)線 為了提高熱電偶連接線的抗干擾性，可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)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(yán)格接地，否則屏蔽層不僅沒(méi)有起到屏蔽的作用，反而增強(qiáng)干擾。 參考文獻(xiàn) 1．李吉林等 溫度計(jì)量（第二版）.中國(guó)計(jì)量出版社 2006.10. 2．崔志尚 溫度計(jì)量與測(cè)試.中國(guó)計(jì)量出版社 2000.1 3． 師克寬等 計(jì)量測(cè)試技術(shù)手冊(cè)（第3卷 溫度）中國(guó)計(jì)量出版社 1997.2 |
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