一、熱電偶補償導線概述
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。由于T3和T2的溫度差會給測量帶來誤差,熱電偶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。
二、 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。
三、 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. 熱電偶補償導線接點連接
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. 熱電偶補償導線使用長度
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換成直流電流傳送,抗干擾強。
4. 熱電偶補償導線布線
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。
來源:
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