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(guān)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。
    
    某鋼管銷售企業(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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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)銷售中,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(guān)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(guān)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；有些甚至是銷售廠家將顏色標錯。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(shè)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(shè)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(shè)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(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。