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  惠鑫熱工儀表
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教你正確使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)


熱電偶測(cè)溫基本原理
  將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái),構(gòu)成一個(gè)閉合回路,如圖2-1-1所
示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí),兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在
回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工
作的。
如何正確使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)
等級(jí):計(jì)量工程師昵稱(chēng):我是美女金幣:192積分:250發(fā)帖:59回帖:0注冊(cè):2006-11-2如何正確使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)(轉(zhuǎn)載)
 摘 要 在使用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量中,熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的使用比較普遍。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),很多地方由于沒(méi)有正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)而出現(xiàn)很多問(wèn)題。本文介紹了補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的原理,對(duì)常見(jiàn)錯(cuò)誤使用的形式進(jìn)行歸納,同時(shí)從理論上分析所產(chǎn)生的偏差,指出正確使用方法和注意事項(xiàng)。
      關(guān)鍵詞 熱電偶 補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn) 使用方法 誤差
      熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測(cè)量中。如果了解了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的原理、功能、作用方法和注意事項(xiàng),就能充分發(fā)揮熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用,否則就會(huì)適得其反。
某鋼管生產(chǎn)企業(yè)新引進(jìn)的一套球化爐裝置,裝置的二十多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)由于設(shè)備安裝人員將熱電偶正負(fù)極接反,且補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)還存在多接頭現(xiàn)象,再加上設(shè)備使用人員對(duì)此知識(shí)的貧乏,在工作中因爐溫不正確導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)產(chǎn)品報(bào)廢,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)一百多萬(wàn)元,教訓(xùn)不可謂不深刻。
      實(shí)際上在眾多熱電偶測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng),筆者發(fā)現(xiàn)用普通銅導(dǎo)線(xiàn)作連線(xiàn)的占40%,而使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)作連接線(xiàn)的僅占60%。究其原因有二:
      一是由于熱電偶設(shè)備使用操作人員不了解補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)功能,認(rèn)為既然只要起到連接作用,普通導(dǎo)線(xiàn)即可。
      二是設(shè)備制造商在安裝熱電偶時(shí),用的連接線(xiàn)即為普通導(dǎo)線(xiàn),而在使用者角度總認(rèn)為設(shè)備安裝人員都是專(zhuān)業(yè)人員,做法總是正確的,沒(méi)能引起應(yīng)有的懷疑。
在工業(yè)生產(chǎn)中,雖然熱電偶作為溫度傳感器,已經(jīng)廣泛使用于溫度測(cè)量和控制,人們對(duì)此也比較熟悉,但如果在使用中不注意正確的使用方法,就會(huì)給測(cè)溫和控溫造成很大的偏離,嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接造成經(jīng)濟(jì)損失,所以應(yīng)該引起重視。
      一、熱電偶的測(cè)溫原理簡(jiǎn)介
      由2種不同均質(zhì)材料A、B組成的回路(見(jiàn)圖1)稱(chēng)為熱電偶。A、B材料2端連接的接點(diǎn)分別用J1、J2表示,如果J1、J2的接點(diǎn)溫度T1和T2不一樣,在回路中就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì),通常稱(chēng)為熱電勢(shì)。當(dāng)A、B的材料一定時(shí),熱電勢(shì)的大小取決于T1、T2之間的溫度差,用公式表示為
      EAB(T1,T2)=eAB(T1)+eBA(T2)=eAB(T1)-eAB(T2)    (1)
      式中:EAB(T1,T2)———材料為A、B的熱電偶,接點(diǎn)溫度T1、T2之間的溫差電勢(shì)。
      eAB(T1)———A、B接點(diǎn)溫度為T(mén)1時(shí)的電勢(shì)。
      eAB(T2)、eBA(T1)———A、B接點(diǎn)溫度為T(mén)2時(shí)的電勢(shì),這2項(xiàng)大小相等,符號(hào)相反。
      為了統(tǒng)一熱電偶材料并進(jìn)行規(guī)范,有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了組成熱電偶材料A、B的成分、純度,并且給出了A、B材料的組合形式,統(tǒng)一用一個(gè)字母命名型號(hào),如K型、S型等。為了使用方便,將各種型號(hào)的熱電偶溫度值與電勢(shì)關(guān)系,統(tǒng)一為相對(duì)于0℃時(shí)的電勢(shì)值,這里用T0表示,制成各種型號(hào)的熱電偶分度表,便于查閱和計(jì)算。
      這樣相對(duì)于圖1中的形式,公式(1)轉(zhuǎn)化為
      EAB(T1,T2)=EAB(T1,T0)-EAB(T2,T0) (2)
      公式(2)就是我們目前使用的實(shí)用公式,只要知道T1、T2,可以從分度表中查出EAB(T1,T0)和EAB(T2,T0)。
      圖1中左圖為原理圖,該圖中對(duì)于熱電勢(shì)無(wú)法測(cè)量;右圖為目前實(shí)際使用的測(cè)量電路,在熱電偶的2極用測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)連接,根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)體定律,只要右圖中接點(diǎn)J2、J3的溫度相同,均為T(mén)2,并且連接導(dǎo)線(xiàn)均為同種均質(zhì)材料,圖1中的右圖與左圖是等效的。
      二 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)
      1. 連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律
      首先我們來(lái)分析熱電偶的連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律,如圖2。
      實(shí)際應(yīng)用中,測(cè)量和控制儀表與熱電偶總是有一段距離,如圖2所示。C、D也是2種均質(zhì)材料,根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律,可以導(dǎo)出測(cè)量的總電勢(shì)EZ的表達(dá)式為:
      EZ=EAB(T1,T3)+ECD(T3,T2)         (3)
      式(3)就是熱電偶連接導(dǎo)體定律。如果連接的不是一段,總電勢(shì)EZ同樣為各個(gè)部分之和。在圖2的測(cè)量中,我們希望測(cè)量端的總電勢(shì)為熱電偶EAB(T1,T2),便于控制儀表測(cè)量中不至于中間連接產(chǎn)生附加電勢(shì),表達(dá)式為:
      EAB(T1,T2)=EZ=EAB(T1,T3)+EAB(T3,T2)  (4)
      式(4)中T3稱(chēng)為中間溫度,所以也稱(chēng)為中間溫度定律。這樣就要求我們找到某種材料C、D,他的特性為:
      ECD(T3,T2)=EAB(T3,T2)(5)
      滿(mǎn)足式(5)的材料我們稱(chēng)為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。因?yàn)闊犭娕嫉姆N類(lèi)較多,所以熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的種類(lèi)也較多。
      2. 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(xiàn)
      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(下面簡(jiǎn)稱(chēng)儀表)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(xiàn)連接。由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)均有正負(fù)極,故接線(xiàn)時(shí)應(yīng)該正極與正極連接,負(fù)極與負(fù)極連接。見(jiàn)圖3所示。
      圖3中由于T3和T2的溫度差會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差,補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn),不同型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)不能混用。
      三、 常見(jiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)使用中的錯(cuò)誤和產(chǎn)生的誤差
      1. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)正負(fù)極與熱電偶接反
      如果將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(chǎng)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(xiàn),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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)還增加一倍,因此補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)極性時(shí),可以取一段補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),將一端絕緣去掉后擰在一起,放在熱水杯中,用普通萬(wàn)用表直流電壓量程檔測(cè)量另一端的2根線(xiàn),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(xiàn)的正極。
      2. 使用的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)不對(duì)
      同種補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)配同種熱電偶,如果所選的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)SC,不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)不夠長(zhǎng)用普通導(dǎo)線(xiàn)連接,或補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)斷后接上一段普通導(dǎo)線(xiàn),見(jiàn)圖6所示。
      圖6中給出了2種補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)和普通導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn),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(xiàn)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(xiàn)中的任1個(gè)電極與連接導(dǎo)線(xiàn)的電勢(shì)。
      如果Tn1=Tn2,eYX1C(Tn1)+eCY1X(Tn2)=0,中間連接導(dǎo)線(xiàn)沒(méi)有影響。
      如果Tn1≠Tn2,eYX1C(Tn1)+eCY1X(Tn2)≠0,中間連接導(dǎo)線(xiàn)影響取決于補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的材料YX1與連接導(dǎo)線(xiàn)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。
      四、 補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)使用中注意事項(xiàng)
      1. 補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的選擇
補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn),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. 接點(diǎn)連接
      與熱電偶接線(xiàn)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(xiàn)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. 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(xiàn)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. 布線(xiàn)
      補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)布線(xiàn)一定要遠(yuǎn)離動(dòng)力線(xiàn)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(xiàn)
      為了提高熱電偶連接線(xiàn)的抗干擾性,可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。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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