摘 要
在使用热电偶进行温度测量中,热电偶补偿导线的使用比较普遍。但经调查发现,很多地方由于没有正确使用补偿导线而出现很多问题。本文介绍了详细原理,对常见错误使用的形式进行归纳,同时从理论上分析所产生的偏差,指出正确使用方法和注意事项。
热电偶补偿导线已经广泛用于热电偶温度测量中。如果了解了原理、功能、作用方法和注意事项,就能充分发挥作用,否则就会适得其反。
某钢管生产企业新引进的一套球化炉装置,装置的二十多个测温点由于设备安装人员将正负极接反,且补偿导线还存在多接头现象,再加上设备使用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万元,教训不可谓不深刻。
实际上在众多测温现场,笔者发现用普通铜导线作连线的占40%,而使用补偿导线作连接线的仅占60%。究其原因有二：
一是由于设备使用操作人员不了解补偿导线功能,认为既然只要起到连接作用,普通导线即可。
二是设备制造商在安装时,用的连接线即为普通导线,而在使用者角度总认为设备安装人员都是专业人员,做法总是正确的,没能引起应有的怀疑。
在工业生产中,虽然热电偶作为温度传感器,已经广泛使用于温度测量和控制,人们对此也比较熟悉,但如果在使用中不注意正确的使用方法,就会给测温和控温造成很大的偏离,严重时会直接造成经济损失,所以应该引起重视。
一、测温原理简介
由2种不同均质材料a、b组成的回路称为热电偶。a、b材料2端连接的接点分别用j1、j2表示,如果j1、j2的接点温度t1和t2不一样,在回路中就会产生电势,通常称为热电势。当a、b的材料一定时,热电势的大小取决于t1、t2之间的温度差,用公式表示为
eab(t1,t2)=eab(t1)+eba(t2)=eab(t1)-eab(t2) (1)
式中：eab(t1,t2)———材料为a、b,接点温度t1、t2之间的温差电势。
eab(t1)———a、b接点温度为t1时的电势。
eab(t2)、eba(t1)———a、b接点温度为t2时的电势,这2项大小相等,符号相反。
为了统一材料并进行规范,国家有关标准规定了组成材料a、b的成分、纯度,并且给出了a、b材料的组合形式,统一用一个字母命名型号,如k型、s型等。为了使用方便,将各种型号的温度值与电势关系,统一为相对于0℃时的电势值,这里用t0表示,制成各种型号的分度表,便于查阅和计算。
这样相对于图1中的形式,公式(1)转化为
eab(t1,t2)=eab(t1,t0)-eab(t2,t0) (2)
公式(2)就是我们目前使用的实用公式,只要知道t1、t2,可以从分度表中查出eab(t1,t0)和eab(t2,t0)。
图1中左图为原理图,该图中对于热电势无法测量；右图为目前实际使用的测量电路,在的2极用测量导线连接,根据中间导体定律,只要右图中接点j2、j3的温度相同,均为t2,并且连接导线均为同种均质材料,图1中的右图与左图是等效的。
二 热电偶补偿导线
1. 连接导体定律和中间温度定律
首先我们来分析热电偶的连接导体定律和中间温度定律,如图2。
实际应用中,测量和控制仪表与热电偶总是有一段距离,如图2所示。c、d也是2种均质材料,根据中间导体定律,可以导出测量的总电势ez的表达式为：
ez=eab(t1,t3)+ecd(t3,t2) (3)
式(3)就是连接导体定律。如果连接的不是一段,总电势ez同样为各个部分之和。在图2的测量中,我们希望测量端的总电势为eab(t1,t2),便于控制仪表测量中不至于中间连接产生附加电势,表达式为：
eab(t1,t2)=ez=eab(t1,t3)+eab(t3,t2) (4)
式(4)中t3称为中间温度,所以也称为中间温度定律。这样就要求我们找到某种材料c、d,他的特性为：
ecd(t3,t2)=eab(t3,t2)(5)
满足式(5)的材料我们称为热电偶的补偿导线。因为种类较多,所以补偿导线的种类也较多。
2. 在工业温度测量和温度控制中正确使用补偿导线
工业温度测量、控制中,热电偶使用的位置总是距测量、控制表(下面简称仪表)有一定的距离,因而从输出端到测量、控制表的输入端,需使用补偿导线连接。由于热电偶和补偿导线均有正负极,故接线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,作用就是补偿t3和t2,不同种类的,要使用相应型号的产品，不能混用。
三、 常见使用中的错误和产生的误差
1. 正负极与热电偶接反
如果将正负极与热电偶正负极接反,而正负极与仪表的正极连接是正确的,以k型偶为例见图4所示。这种错误在应用中比较普遍,因为连接后,被控制对象的温度变化趋势与显示仪表是一致的。加之目前产品很多标注不规范,难以辨认；有些甚至是生产厂家将颜色标错。下面分析由于这种情况所产生的误差。
如果正确连接,仪表所接收的总热电势为
ez=ek(t1,t3)+ekx(t3,t2)=ek(t1,t3)+ek(t3,t2)
=ek(t1,t2)(6)
因为连接的错误,根据中间导体定律,仪表所接收的总热电势为
e′z=ek(t1,t3)+ekx(t3,t2)(7)
对于kx延伸型补偿导线,有
e′kx(t3,t2)=-ekx(t3,t2)=-ek(t3,t2)(8)
计算,仪表测量值由此产生误差为
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其补偿值的2倍。对于k型偶,微分电势值基本在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。
从上面的分析可以看出,当正负极接反,不仅没有起到补偿作用,误差比不接补偿导线还增加一倍,因此其在连接时一定要注意极性。
如果不能确定极性时,可以取一段产品,将一端绝缘去掉后拧在一起,放在热水杯中,用普通万用表直流电压量程zui低档测量另一端的2根线,万用表上会显示测量电压的正负,信号的正极为其正极。
2. 使用的补偿导线型号不对
同种产品配同种热电偶,如果所选的种类不对,一样产生误差。假设使用s型热电偶,选择了k型偶kx。
根据中间导体定律,仪表所接收的总热电势为
e′z(t1,t2)=es(t1,t3)+ekx(t3,t2)(10)
如果正确使用s型偶补偿导线sc,不考虑补偿导线自身误差,仪表测量的总电势为ez(t1,t2)=es(t1,t3)=es(t3,t2)(11)
由于选错了仪表测量值由此产生误差为式(10)-式(11)
ez′-ez=ek(t3,t2)-es(t3,t2)-ek(t3,t2)-es(t3,t2)(12)
如果s型热电偶工作温度为900℃,控制间环境温度为25℃,仍按照t3-t2=8℃,分别查s偶和k偶分度表,得出电势差为
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875.1℃,误差24.9℃。
如果上述情况又将极性接反,仪表测量值偏高,仪表显示900℃时,实际温度为933.2℃,误差33.2℃。
3. 补偿导线与导线混用
在实际应用中,经常会发现由于不够长用普通导线连接,或断后接上一段普通导线,见图6所示。
图6中给出了2种该产品和普通导线混用的情况。对于图6(b)的情况,用中间导体定律来分析,假定热型号为y(y表示分度号中的任一种),补偿导线为yx,仪表测量端的总热电势为
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,用导线连接没有影响。
如果tn与t2温度不相等,因为有一段补偿导线,接点tn也是远离热工设备周围,tn总是小于t3,在室温下与t2差别不大时,ec(tn,t2)电势较小,用导线连接影响不大。
对于图6(a)的情况,用中间导体定律来分析,为
e′z=ey(t1,t3)+eyx1c(tn1)+ecy1x(tn2)+etx(t3,t2)(14)
对于式(14)中,eyx1c(tn1)、ecy1x(tn2)、为其中的任1个电极与连接导线的电势。
如果tn1=tn2,eyx1c(tn1)+ecy1x(tn2)=0,中间连接导线没有影响。
如果tn1≠tn2,eyx1c(tn1)+ecy1x(tn2)≠0,中间连接导线影响取决于材料yx1与连接导线材料c的电势以及tn1、tn2差值。eyx1c(tn1)+ecy1x(tn2)有可能是正,也有可能是负。折合成温度值与采用的何种热电偶有关。通常廉金属的微分电势要大于贵金属热电偶。因此上述影响折合成温度,贵金属影响要大些。
四、 使用中注意事项
1. 选择
一定要根据所使用的种类和所使用的场合进行正确选择。例如,k型偶应该选择k型偶的补偿导线,根据使用场合,选择工作温度范围。通常kx工作温度为-20～100℃,宽范围的为-25～200℃。普通级误差为±2.5℃,精密级为±1.5℃。
2. 接点连接
与接线端2个接点尽可能近一点,尽量保持2个接点温度一致。与仪表接线端连接处尽可能温度一致,仪表柜有风扇的地方,接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。
3. 使用长度
1为信号很低,为微伏级,如果使用的距离过长,信号的衰减和环境中强电的干扰偶合,足可以使信号失真,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。
1据我们的经验,通常使用长度控制在15米内比较好,如果超过15米,建议使用温度变送器进行传送信号。温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送,抗干扰强。
4. 布线
布线一定要远离动力线和干扰源。在避免不了穿越的地方,也尽可能采用交叉方式,不要平行。
5. 屏蔽
为了提高热电偶连接线的抗干扰性,可以采用屏蔽补偿导线。对于现场干扰源较多的场合,效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地,否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用,反而增强干扰。
；景向前
