教你正确使用(yòng)热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)
发布时间：2013.11.04 新(xīn)闻来源：NH-VV阻燃耐火電(diàn)缆-KVV控制電(diàn)缆-RVVP屏蔽電(diàn)缆-安徽锦华電(diàn)气有(yǒu)限公司 浏览次数：
热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)已经广泛用(yòng)于热電(diàn)偶温度测量中。如果了解了热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)的原理(lǐ)、功能(néng)、作用(yòng)方法和注意事项,就能(néng)充分(fēn)发挥热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)的作用(yòng),否则就会适得其反。
某钢管生产企业新(xīn)引进的一套球化炉装置,装置的二十多(duō)个测温点由于设备安装人员将热電(diàn)偶正负极接反,且补偿导線(xiàn)还存在多(duō)接头现象,再加上设备使用(yòng)人员对此知识的贫乏,在工作中因炉温不正确导致炉内产品报废,直接经济损失达一百多(duō)万元,教训不可(kě)谓不深刻。
实际上在众多(duō)热電(diàn)偶测温现场,筆(bǐ)者发现用(yòng)普通铜导線(xiàn)作连線(xiàn)的占40%,而使用(yòng)补偿导線(xiàn)作连接線(xiàn)的***占60%。究其原因有(yǒu)二：
一是由于热電(diàn)偶设备使用(yòng)操作人员不了解补偿导線(xiàn)功能(néng),认為(wèi)既然只要起到连接作用(yòng),普通导線(xiàn)即可(kě)。
二是设备制造商(shāng)在安装热電(diàn)偶时,用(yòng)的连接線(xiàn)即為(wèi)普通导線(xiàn),而在使用(yòng)者角度总认為(wèi)设备安装人员都是专业人员,做法总是正确的,没能(néng)引起应有(yǒu)的怀疑。
在工业生产中,虽然热電(diàn)偶作為(wèi)温度传感器,已经广泛使用(yòng)于温度测量和控制,人们对此也比较熟悉,但如果在使用(yòng)中不注意正确的使用(yòng)方法,就会给测温和控温造成很(hěn)大的偏离,严重时会直接造成经济损失,所以应该引起重视。
一、热電(diàn)偶的测温原理(lǐ)简介
由2种不同均质材料A、B组成的回路（见图1）称為(wèi)热電(diàn)偶。A、B材料2端连接的接点分(fēn)别用(yòng)J1、J2表示,如果J1、J2的接点温度T1和T2不一样,在回路中就会产生電(diàn)势,通常称為(wèi)热電(diàn)势。当A、B的材料一定时,热電(diàn)势的大小(xiǎo)取决于T1、T2之间的温度差,用(yòng)公式表示為(wèi)
EAB(T1,T2)=eAB（T1）+eBA（T2）=eAB（T1）-eAB(T2) (1)
式中：EAB（T1,T2）———材料為(wèi)A、B的热電(diàn)偶,接点温度T1、T2之间的温差電(diàn)势。
eAB（T1)———A、B接点温度為(wèi)T1时的電(diàn)势。
eAB（T2）、eBA（T1）———A、B接点温度為(wèi)T2时的電(diàn)势,这2项大小(xiǎo)相等,符号相反。
為(wèi)了统一热電(diàn)偶材料并进行规范,******有(yǒu)关标准规定了组成热電(diàn)偶材料A、B的成分(fēn)、纯度,并且给出了A、B材料的组合形式,统一用(yòng)一个字母命名型号,如K型、S型等。為(wèi)了使用(yòng)方便,将各种型号的热電(diàn)偶温度值与電(diàn)势关系,统一為(wèi)相对于0℃时的電(diàn)势值,这里用(yòng)T0表示,制成各种型号的热電(diàn)偶分(fēn)度表,便于查阅和计算。
这样相对于图1中的形式,公式（1）转化為(wèi)
EAB（T1,T2)=EAB（T1,T0）-EAB（T2,T0） (2)
公式（2）就是我们目前使用(yòng)的实用(yòng)公式,只要知道T1、T2,可(kě)以从分(fēn)度表中查出EAB（T1,T0）和EAB（T2,T0）。
图1中左图為(wèi)原理(lǐ)图,该图中对于热電(diàn)势无法测量；右图為(wèi)目前实际使用(yòng)的测量電(diàn)路,在热電(diàn)偶的2极用(yòng)测量导線(xiàn)连接,根据热電(diàn)偶中间导體(tǐ)定律,只要右图中接点J2、J3的温度相同,均為(wèi)T2,并且连接导線(xiàn)均為(wèi)同种均质材料,图1中的右图与左图是等效的。
二 热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)
1. 连接导體(tǐ)定律和中间温度定律
首先我们来分(fēn)析热電(diàn)偶的连接导體(tǐ)定律和中间温度定律,如图2。
实际应用(yòng)中,测量和控制仪表与热電(diàn)偶总是有(yǒu)一段距离,如图2所示。C、D也是2种均质材料,根据热電(diàn)偶的中间导體(tǐ)定律,可(kě)以导出测量的总電(diàn)势EZ的表达式為(wèi)：
EZ=EAB（T1,T3）+ECD（T3,T2） （3）
式(3)就是热電(diàn)偶连接导體(tǐ)定律。如果连接的不是一段,总電(diàn)势EZ同样為(wèi)各个部分(fēn)之和。在图2的测量中,我们希望测量端的总電(diàn)势為(wèi)热電(diàn)偶EAB（T1,T2）,便于控制仪表测量中不至于中间连接产生附加電(diàn)势,表达式為(wèi)：
EAB（T1,T2）=EZ=EAB（T1,T3）+EAB（T3,T2） （4）
式(4)中T3称為(wèi)中间温度,所以也称為(wèi)中间温度定律。这样就要求我们找到某种材料C、D,他(tā)的特性為(wèi)：
ECD（T3,T2）=EAB（T3,T2）（5）
满足式(5)的材料我们称為(wèi)热電(diàn)偶的补偿导線(xiàn)。因為(wèi)热電(diàn)偶的种类较多(duō),所以热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)的种类也较多(duō)。
2. 在工业温度测量和温度控制中正确使用(yòng)补偿导線(xiàn)
工业温度测量、控制中,热電(diàn)偶使用(yòng)的位置总是距测量、控制表（下面简称仪表）有(yǒu)一定的距离,因而从热電(diàn)偶的输出端到测量、控制表的输入端,需使用(yòng)补偿导線(xiàn)连接。由于热電(diàn)偶和补偿导線(xiàn)均有(yǒu)正负极,故接線(xiàn)时应该正极与正极连接,负极与负极连接。见图3所示。
图3中由于T3和T2的温度差会给测量带来误差,补偿导線(xiàn)的作用(yòng)就是补偿T3和T2,不同种类的热電(diàn)偶,要使用(yòng)相应型号的补偿导線(xiàn),不同型号的补偿导線(xiàn)不能(néng)混用(yòng)。
三、 常见补偿导線(xiàn)使用(yòng)中的错误和产生的误差
1. 热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)正负极与热電(diàn)偶接反
如果将热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)的正负极与热電(diàn)偶正负极接反,而热電(diàn)偶的正负极与仪表的正极连接是正确的,以K型偶為(wèi)例见图4所示。这种错误在应用(yòng)中比较普遍,因為(wèi)连接后,被控制对象的温度变化趋势与显示仪表是一致的。加之目前热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)产品很(hěn)多(duō)标注不规范,难以辨认；有(yǒu)些甚至是生产厂家将颜色标错。下面分(fēn)析由于这种情况所产生的误差。
如果正确连接,仪表所接收的总热電(diàn)势為(wèi)
EZ=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）=EK（T1,T3）+EK（T3,T2）
=EK（T1,T2）（6）
因為(wèi)连接的错误,根据中间导體(tǐ)定律,仪表所接收的总热電(diàn)势為(wèi)
E′Z=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）（7）
对于KX延伸型补偿导線(xiàn),有(yǒu)
E′KX（T3,T2）=-EKX（T3,T2）=-EK（T3,T2）（8）
计算,仪表测量值由此产生误差為(wèi)
EZ′-EZ=EK（T1,T3）-EK（T3,T2）-EK（T1,T3）-EK（T3,T2）
=2EK（T3,T2）（9）
一般工业炉附近的温度,至少比控制间的温度高8℃。那么由此产生误差正好是补偿导線(xiàn)补偿值的2倍。对于K型偶,微分(fēn)電(diàn)势值基本在40℃/（μV）左右,测量温度大约比实际温度低16℃。如果控制温度设定在600℃,实际温度应该在616℃左右。
从上面的分(fēn)析可(kě)以看出,当热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)正负极接反,不***没有(yǒu)起到补偿作用(yòng),误差比不接补偿导線(xiàn)还增加一倍,因此补偿导線(xiàn)在连接时一定要注意极性。
如果不能(néng)确定热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)极性时,可(kě)以取一段补偿导線(xiàn),将一端绝缘去掉后拧在一起,放在热水杯中,用(yòng)普通万用(yòng)表直流電(diàn)压量程***低档测量另一端的2根線(xiàn),万用(yòng)表上会显示测量電(diàn)压的正负,信号的正极為(wèi)补偿导線(xiàn)的正极。
2. 使用(yòng)的补偿导線(xiàn)型号不对
同种补偿导線(xiàn)配同种热電(diàn)偶,如果所选的补偿导線(xiàn)种类不对,一样产生误差。假设使用(yòng)S型热電(diàn)偶,选择了K型偶的补偿导線(xiàn)KX,如图5所示。
根据中间导體(tǐ)定律,仪表所接收的总热電(diàn)势為(wèi)
E′Z（T1,T2）=ES（T1,T3）+EKX（T3,T2）（10）
如果正确使用(yòng)S型偶补偿导線(xiàn)SC,不考虑补偿导線(xiàn)自身误差,仪表测量的总電(diàn)势為(wèi)EZ（T1,T2）=ES（T1,T3）=ES（T3,T2）（11）
由于选错了补偿导線(xiàn)仪表测量值由此产生误差為(wèi)式(10)-式(11)
EZ′-EZ=EK（T3,T2）-ES（T3,T2）-EK（T3,T2）-ES（T3,T2）（12）
如果S型热電(diàn)偶工作温度為(wèi)900℃,控制间环境温度為(wèi)25℃,仍按照T3-T2=8℃,分(fēn)别查S偶和K偶分(fēn)度表,得出電(diàn)势差為(wèi)
EK（T3,T2）-ES（T3,T2）=0.278mV
仪表测量温度比实际温度高。如果仪表控制在900℃时,实际值只有(yǒu)875.1℃,误差24.9℃。
如果上述情况又(yòu)将极性接反,仪表测量值偏高,仪表显示900℃时,实际温度為(wèi)933.2℃,误差33.2℃。
3. 补偿导線(xiàn)与导線(xiàn)混用(yòng)
在实际应用(yòng)中,经常会发现由于补偿导線(xiàn)不够長(cháng)用(yòng)普通导線(xiàn)连接,或补偿导線(xiàn)断后接上一段普通导線(xiàn),见图6所示。
图6中给出了2种补偿导線(xiàn)和普通导線(xiàn)混用(yòng)的情况。对于图6(B)的情况,用(yòng)中间导體(tǐ)定律来分(fēn)析,假定热電(diàn)偶的型号為(wèi)Y（Y表示热電(diàn)偶分(fēn)度号中的任一种）,补偿导線(xiàn)為(wèi)YX,仪表测量端的总热電(diàn)势為(wèi)
E′Z=EY（T1,T3）+EYX（T3,Tn）+EC（Tn,T2）（13）
如果Tn与T2温度基本相等,EC（Tn,T2）=0,用(yòng)导線(xiàn)连接没有(yǒu)影响。
如果Tn与T2温度不相等,因為(wèi)有(yǒu)一段补偿导線(xiàn),接点Tn也是遠(yuǎn)离热工设备周围,Tn总是小(xiǎo)于T3,在室温下与T2差别不大时,EC（Tn,T2)電(diàn)势较小(xiǎo),用(yòng)导線(xiàn)连接影响不大。
对于图6(A)的情况,用(yòng)中间导體(tǐ)定律来分(fēn)析,為(wèi)
E′Z=EY（T1,T3）+eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）+ETX（T3,T2）（14）
对于式(14)中,eYX1C（Tn1）、eCY1X（Tn2）、為(wèi)补偿导線(xiàn)中的任1个電(diàn)极与连接导線(xiàn)的電(diàn)势。
如果Tn1=Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）=0,中间连接导線(xiàn)没有(yǒu)影响。
如果Tn1≠Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）≠0,中间连接导線(xiàn)影响取决于补偿导線(xiàn)的材料YX1与连接导線(xiàn)材料C的電(diàn)势以及Tn1、Tn2差值。eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）有(yǒu)可(kě)能(néng)是正,也有(yǒu)可(kě)能(néng)是负。折合成温度值与采用(yòng)的何种热電(diàn)偶有(yǒu)关。通常廉金属热電(diàn)偶的微分(fēn)電(diàn)势要大于贵金属热電(diàn)偶。因此上述影响折合成温度,贵金属热電(diàn)偶影响要大些。
四、 补偿导線(xiàn)使用(yòng)中注意事项
1. 补偿导線(xiàn)的选择
补偿导線(xiàn)一定要根据所使用(yòng)的热電(diàn)偶种类和所使用(yòng)的场合进行正确选择。例如,K型偶应该选择K型偶的补偿导線(xiàn),根据使用(yòng)场合,选择工作温度范围。通常KX工作温度為(wèi)-20～100℃,宽范围的為(wèi)-25～200℃。普通级误差為(wèi)±2.5℃,精密级為(wèi)±1.5℃。
2. 接点连接
与热電(diàn)偶接線(xiàn)端2个接点尽可(kě)能(néng)近一点,尽量保持2个接点温度一致。与仪表接線(xiàn)端连接处尽可(kě)能(néng)温度一致,仪表柜有(yǒu)风扇的地方,接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。
3. 使用(yòng)長(cháng)度
因為(wèi)热電(diàn)偶的信号很(hěn)低,為(wèi)微伏级,如果使用(yòng)的距离过長(cháng),信号的衰减和环境中强電(diàn)的干扰偶合,足可(kě)以使热電(diàn)偶的信号失真,造成测量和控制温度不准确,在控制中严重时会产生温度波动。
根据我们的经验,通常使用(yòng)热電(diàn)偶补偿导線(xiàn)的長(cháng)度控制在15米内比较好,如果超过15米,建议使用(yòng)温度变送器进行传送信号。温度变送器是将温度对应的電(diàn)势值转换成直流電(diàn)流传送,抗干扰强。
4. 布線(xiàn)
补偿导線(xiàn)布線(xiàn)一定要遠(yuǎn)离动力線(xiàn)和干扰源。在避免不了穿越的地方,也尽可(kě)能(néng)采用(yòng)交叉方式,不要平行。
5. 屏蔽补偿导線(xiàn)
為(wèi)了提高热電(diàn)偶连接線(xiàn)的抗干扰性,可(kě)以采用(yòng)屏蔽补偿导線(xiàn)。对于现场干扰源较多(duō)的场合,效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地,否则屏蔽层不***没有(yǒu)起到屏蔽的作用(yòng),反而增强干扰。
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