一、熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線概述
在工業(yè)溫度測(cè)量和溫度控制中正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線，工業(yè)溫度測(cè)量、控制中,熱電偶使用的位置總是距測(cè)量、控制表有一定的距離,因而從熱電偶的輸出端到測(cè)量、控制表的輸入端,需使用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線均有正負(fù)極,故接線時(shí)應(yīng)該正極與正極連接,負(fù)極與負(fù)極連接。由于T3和T2的溫度差會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是補(bǔ)償T3和T2,不同種類(lèi)的熱電偶,要使用相應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線,不同型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線不能混用。
二、 常見(jiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線使用中的錯(cuò)誤和產(chǎn)生的誤差
1. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極與熱電偶接反
如果將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶正負(fù)極接反,而熱電偶的正負(fù)極與儀表的正極連接是正確的,以K型偶為例見(jiàn)圖4所示。這種錯(cuò)誤在應(yīng)用中比較普遍,因?yàn)檫B接后,被控制對(duì)象的溫度變化趨勢(shì)與顯示儀表是一致的。加之目前熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)品很多標(biāo)注不規(guī)范,難以辨認(rèn)；有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標(biāo)錯(cuò)。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(shì)為
EZ=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）=EK（T1,T3）+EK（T3,T2）
=EK（T1,T2）（6）
因?yàn)檫B接的錯(cuò)誤,根據(jù)中間導(dǎo)體定律,儀表所接收的總熱電勢(shì)為
E′Z=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）（7）
對(duì)于KX延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線,有
E′KX（T3,T2）=-EKX（T3,T2）=-EK（T3,T2）（8）
計(jì)算,儀表測(cè)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(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償值的2倍。對(duì)于K型偶,微分電勢(shì)值基本在40℃/（μV）左右,測(cè)量溫度大約比實(shí)際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃,實(shí)際溫度應(yīng)該在616℃左右。
從上面的分析可以看出,當(dāng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極接反,不僅沒(méi)有起到補(bǔ)償作用,誤差比不接補(bǔ)償導(dǎo)線還增加一倍,因此補(bǔ)償導(dǎo)線在連接時(shí)一定要注意極性。
如果不能確定熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線極性時(shí),可以取一段補(bǔ)償導(dǎo)線,將一端絕緣去掉后擰在一起,放在熱水杯中,用普通萬(wàn)用表直流電壓量程最低檔測(cè)量另一端的2根線,萬(wàn)用表上會(huì)顯示測(cè)量電壓的正負(fù),信號(hào)的正極為補(bǔ)償導(dǎo)線的正極。
2. 使用的補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)不對(duì)
同種補(bǔ)償導(dǎo)線配同種熱電偶,如果所選的補(bǔ)償導(dǎo)線種類(lèi)不對(duì),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(bǔ)償導(dǎo)線KX,如圖5所示。
根據(jù)中間導(dǎo)體定律,儀表所接收的總熱電勢(shì)為
E′Z（T1,T2）=ES（T1,T3）+EKX（T3,T2）（10）
如果正確使用S型偶補(bǔ)償導(dǎo)線SC,不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線自身誤差,儀表測(cè)量的總電勢(shì)為EZ（T1,T2）=ES（T1,T3）=ES（T3,T2）（11）
由于選錯(cuò)了補(bǔ)償導(dǎo)線儀表測(cè)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(shì)差為
EK（T3,T2）-ES（T3,T2）=0.278mV
儀表測(cè)量溫度比實(shí)際溫度高。如果儀表控制在900℃時(shí),實(shí)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(cè)量值偏高,儀表顯示900℃時(shí),實(shí)際溫度為933.2℃,誤差33.2℃。
3. 補(bǔ)償導(dǎo)線與導(dǎo)線混用
在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)由于補(bǔ)償導(dǎo)線不夠長(zhǎng)用普通導(dǎo)線連接,或補(bǔ)償導(dǎo)線斷后接上一段普通導(dǎo)線,見(jiàn)圖6所示。
圖6中給出了2種補(bǔ)償導(dǎo)線和普通導(dǎo)線混用的情況。對(duì)于圖6(B)的情況,用中間導(dǎo)體定律來(lái)分析,假定熱電偶的型號(hào)為Y（Y表示熱電偶分度號(hào)中的任一種）,補(bǔ)償導(dǎo)線為YX,儀表測(cè)量端的總熱電勢(shì)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(dǎo)線連接沒(méi)有影響。
如果Tn與T2溫度不相等,因?yàn)橛幸欢窝a(bǔ)償導(dǎo)線,接點(diǎn)Tn也是遠(yuǎn)離熱工設(shè)備周?chē)?Tn總是小于T3,在室溫下與T2差別不大時(shí),EC（Tn,T2)電勢(shì)較小,用導(dǎo)線連接影響不大。
對(duì)于圖6(A)的情況,用中間導(dǎo)體定律來(lái)分析,為
E′Z=EY（T1,T3）+eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）+ETX（T3,T2）（14）
對(duì)于式(14)中,eYX1C（Tn1）、eCY1X（Tn2）、為補(bǔ)償導(dǎo)線中的任1個(gè)電極與連接導(dǎo)線的電勢(shì)。
如果Tn1=Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）=0,中間連接導(dǎo)線沒(méi)有影響。
如果Tn1≠Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）≠0,中間連接導(dǎo)線影響取決于補(bǔ)償導(dǎo)線的材料YX1與連接導(dǎo)線材料C的電勢(shì)以及Tn1、Tn2差值。eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）有可能是正,也有可能是負(fù)。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(shì)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(bǔ)償導(dǎo)線使用中注意事項(xiàng)
1. 補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇
補(bǔ)償導(dǎo)線一定要根據(jù)所使用的熱電偶種類(lèi)和所使用的場(chǎng)合進(jìn)行正確選擇。例如,K型偶應(yīng)該選擇K型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線,根據(jù)使用場(chǎng)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(jí)誤差為±2.5℃,精密級(jí)為±1.5℃。
2. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線接點(diǎn)連接
與熱電偶接線端2個(gè)接點(diǎn)盡可能近一點(diǎn),盡量保持2個(gè)接點(diǎn)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(fēng)扇的地方,接點(diǎn)處要保護(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。
3. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線使用長(zhǎng)度
因?yàn)闊犭娕嫉男盘?hào)很低,為微伏級(jí),如果使用的距離過(guò)長(zhǎng),信號(hào)的衰減和環(huán)境中強(qiáng)電的干擾偶合,足可以使熱電偶的信號(hào)失真,造成測(cè)量和控制溫度不準(zhǔn)確,在控制中嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度波動(dòng)。
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),通常使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的長(zhǎng)度控制在15米內(nèi)比較好,如果超過(guò)15米,建議使用溫度變送器進(jìn)行傳送信號(hào)。溫度變送器是將溫度對(duì)應(yīng)的電勢(shì)值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送,抗干擾強(qiáng)。
4. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線布線
補(bǔ)償導(dǎo)線布線一定要遠(yuǎn)離動(dòng)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(bǔ)償導(dǎo)線
為了提高熱電偶連接線的抗干擾性,可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)干擾源較多的場(chǎng)合,效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴(yán)格接地,否則屏蔽層不僅沒(méi)有起到屏蔽的作用,反而增強(qiáng)干擾。
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