热电偶接线与工作原理

如何正确使用热电偶补偿导线

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。本文介绍了补偿导线的原理,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。

关键词热电偶补偿导线使用方法误差

热电偶补偿导线已经广泛用于热电偶温度测量中。如果了解了热电偶补偿导线的原理、功能、作用方法和注意事项,就能充分发挥热电偶补偿导线的作用,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热电偶正负极接反,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。

实际上在众多热电偶测温现场,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：

一是由于热电偶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热电偶时,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、热电偶的测温原理简介

由2种不同均质材料a、b组成的回路(见图1)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的热电偶,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。

为了统一热电偶材料并进行规范,国家有关标准规定了组成热电偶材料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,将各种型号的热电偶温度值与电势关系,统一为相对于0℃时的电势值,这里用t0表示,制成各种型号的热电偶分度表,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,在热电偶的2极用测量导线连接,根据热电偶中间导体定律,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,根据热电偶的中间导体定律,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)就是热电偶连接导体定律。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热电偶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。因为热电偶

的种类较多,所以热电偶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,因而从热电偶的输出端到测量、

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,补偿导线的作用就是补偿t3和t2,不同种类的热电偶,要使用相应型号的补偿导线,不同型号的补偿导线不能混用。

三、常见补偿导线使用中的错误和产生的误差

1. 热电偶补偿导线正负极与热电偶接反

如果将热电偶补偿导线的正负极与热电偶正负极接反,而热电偶的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。加之目前热电偶补偿导线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)