| 作者：施建政 林 松 | 單位：江蘇省張家港質(zhì)量技術監(jiān)督局計量測試所
| | 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(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多地方由于沒有正確使用補償導線而出現(xiàn)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(chǎn)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(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)揮熱電偶補償導線的作用，否則就會適得其反。
某鋼管生產(chǎn)企業(yè)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(xiàn)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(nèi)產(chǎn)品報廢，直接經(jīng)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(xiàn)場，筆者發(fā)現(xiàn)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(yè)人員，做法總是正確的，沒能引起應有的懷疑。
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，就會給測溫和控溫造成很大的偏離，嚴重時會直接造成經(jīng)濟損失，所以應該引起重視。
一、熱電偶的測溫原理簡介
由2種不同均質(zhì)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(chǎn)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(tǒng)一熱電偶材料并進行規(guī)范，國家有關標準規(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(tǒng)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(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(jù)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(zhì)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(zhì)材料，根據(jù)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(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(yè)溫度測量和溫度控制中正確使用補償導線
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(chǎn)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(chǎn)品很多標注不規(guī)范，難以辨認；有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標錯。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(jù)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(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最低檔測量另一端的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(chǎn)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(jù)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(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(jīng)常會發(fā)現(xiàn)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(jù)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(jù)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(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，在控制中嚴重時會產(chǎn)生溫度波動。
根據(jù)我們的經(jīng)驗，通常使用熱電偶補償導線的長度控制在15米內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)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。
參考文獻
1．李吉林等 溫度計量（第二版）.中國計量出版社 2006.10.
2．崔志尚 溫度計量與測試.中國計量出版社 2000.1
3． 師克寬等 計量測試技術手冊（第3卷 溫度）中國計量出版社 1997.2
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