熱電偶補償導線使用原理

摘要:對補償導線的使用原理進行了介紹,闡述了操作錯誤對熱電偶溫度測量結果的影響,并提出補償導線的正確使用方法,以避免熱電偶的測溫結果出現(xiàn)較大誤差影響熱控工作其他環(huán)節(jié)。
　　在熱控實驗室常規(guī)的熱電偶溫度測量中,經(jīng)常使用到補償導線。如果對補償導線的使用不恰當，會導致熱電偶的測溫結果出現(xiàn)很大的誤差,直接影響到熱控工作的各個環(huán)節(jié)。所以，要對熱電偶補償導線的使用方法、原理、注意要點等熟練掌握。
1工作原理
　　熱電偶補償導線是在一定溫度范圍內(nèi)(包括常溫),其熱電性能與之匹配的熱電偶熱電性能非常相近的導線,由絕緣層、護套、屏蔽層組成，用來連接熱電偶與測量裝置，以補償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。熱電偶往往是由比較貴重的材料制成，而熱電偶測溫回路的總電勢不受中間溫度變化的影響,補償導線就是用來代替貴重材料的,將需要測溫的熱電偶與測溫儀器相連,對原參比端溫度進行補償。使用補償導線，不但不影響測量結果,還方便操作,更節(jié)約了測雖成本,經(jīng)濟效益非常明顯。采用一支K型熱電偶,用工業(yè)熱電偶自動測量系統(tǒng)進行熱電偶的周期檢定,在使用補償導線及用普通銅線代替時各檢定次,檢定點400℃時,未使用補償導線的熱電偶測定值為16.164,誤差在5.4C左右,使用補償導線的熱電偶測定值為16.296,誤差在2℃左右;檢定點600℃時,未使用補償導線的熱電偶測定值為24.591，誤差在7℃左右,使用補償導線的熱電偶測定值為24.875，誤差在0.6℃左右;檢定點800℃時，未使用補償導線的熱電偶測定值為33.856,誤差在10℃左右，使用補償導線的熱電偶測定值為33.267,誤差在0.2℃左右。
2補償導線常用術語及性能
2.1允差
　　允差是由于測量系統(tǒng)中引用了補償導線而產(chǎn)生的最大偏差，用微伏表示,允差的大小分為精密級和普通級。
2.2絕緣層、護套、屏蔽層
　　常用的補償導線絕緣層和護套是以聚氯乙烯為主體材料;耐熱用補償導線的絕緣層是以聚四氟乙烯為主體材料，護套是以聚四氟乙烯或無堿玻璃絲為主體材料，屏蔽層采用鍍錫銅絲或鍍鋅鋼絲紡織或用復合鋁(銅)帶纏繞。
2.3符號
　　S表示熱電特性為精密級補償導線。普通級補償導線不標字母;G表示一般用補償導線;H表示耐熱用補償導線;R表示線芯為多股的補償導線。線芯為單股的補償導線不標字母;P表示有屏蔽層的補償導線;V表示絕緣層或護套為聚氯乙烯材料(PVC);F表示絕緣層為聚四氟乙烯材料;B表示護套為無堿玻璃絲材料。
2.4絕緣電阻
　　環(huán)境溫度為15C~35℃,相對濕度不大于80%時，補償導線的線芯間和線芯與屏蔽層之間的絕緣電阻每10m不小于5MΩ。
2.5耐熱性能
　　耐熱用補償導線應經(jīng)受220℃±5℃歷時24h耐熱性能試驗后,立即將試樣在5倍其直徑的圓柱體上彎曲180°后應表面無裂紋,補償導線的線芯間和線芯與屏蔽層之間的絕緣電阻每米不小于25MΩ。
2.6防潮性能
　　耐熱用補償導線應經(jīng)受環(huán)境溫度40℃±2℃,相對濕度95%±3%,歷時24h防潮性能試驗后，補償導線的線芯間和線芯與屏蔽層之間的絕緣電阻每米不小于25MΩ。
3補償導線的選擇
3.1根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境
1)延長型:合金絲的化學成分及熱電動勢與配用的熱電偶相同，以熱電偶分度號+字母“X"表示,如“KX"就表示K型熱電偶用延長型補償導線。2)補償型:合金絲的化學成分與配用的熱電偶不同,但熱電動勢值在0℃~200℃時與配用熱電偶的熱電動勢相同，以熱電偶分度號+字母“C”表示，如“KC"就表示K型熱電偶補償型補償導線,“KCA""KCB"等。
3.2根據(jù)工作條件
1)按線芯多少分為單股和多芯補償導線。2)以是否帶屏蔽層分為普通型和屏敞型補償導線。3)防爆專用的安全線路用的補償導線。
4使用補償導線常見的問題
4.1與熱電偶正負極接反
　　目前對熱電偶補償導線的標注不很規(guī)范，難以辨認正負極,在熱電偶測定時極易接反,導致檢定結果誤差。
1)正確連接時,根據(jù)中間導體定律,儀表所接收的總熱電勢為:
E總=Ex(t1,t3)+EKX(t1,t2)=EK(t3,t2)+EK(t1,t2)=EK(t1,t2)。
2)若正負極接反,則儀表所接收的總熱電勢為:
E'總=EK(t1,t3)+Ekx(t3,t2)。
對于KX延伸型補償導線,有:
E'Kx(t3,t2)=-EKx(t3,t2)=-Ek(t3,t2)。
　　通過上式計算可得產(chǎn)生的誤差為:
E'總-E總=Ek(t1,t3)-Ex(t3,t2)-EK(t1,t3)-Ex(t3,t2)=-2Ek(t3,t2)。
　　綜上所述,由此產(chǎn)生的誤差正好是補償導線補償值的2倍,爐溫比控制間的溫度--般高8℃,若控制溫度為400℃,實際溫度就是416℃左右。所以,在連接補償導線時,一定要注意導線的極性,避免接反。補償導線的正負極一般可以根據(jù)導線材料顏色來判別,但為了保險起見，可用更準確的實驗方法來區(qū)別:將補償導線的兩端各剝?nèi)?-小段絕緣層,將兩根導線的一端擰在一起,然后放人沸水中。另一端分別與銅導線連接后插人冰點槽中,再將銅導線引到直流電位差計的測量端。測量結果如果與分度表中列出的其中-一個熱電偶數(shù)值相符合,就可知道該補償導線的型號及其正負極:與直流電位差計正端連接的電極就是補償導線的正極,與負端連接的電極即為補償導線的負極。
4.2與普通導線混用
實際測量中，經(jīng)常遇到補償導線長度不夠的情況，測量人員圖省事,往往會用普通導線來續(xù)接,根據(jù)中間導體定律可知:誤差與所測量的熱電偶材料有關,通常越貴重金屬制成的熱電偶受到的影響要大點。
4.3補償導線型號不符
        同樣是補償導線,選用時若與熱電偶的型號不符,測量結果也會出現(xiàn)誤差。比如用K型熱電偶的補償導線用到S型熱電偶上,根據(jù)中間導體定律計算后,可知測量出的溫度比實際溫度要高。
5補償導線的正確使用
1)正確選擇所需的型號。補償導線選擇時不但要注意熱電偶的種類,而且還要根據(jù)工作溫度,綜合起來正確選擇。
2)正確分清正負極(見上節(jié))。
3)不能與普通導線混用(見上節(jié))。
4)注意接點連接。在儀表盤內(nèi)接線時,儀器本身因通電而溫度升高,使接線端子處的溫度高于儀表盤接線端子處的溫度。熱電偶的補償導線引到儀表盤后,如果將補償導線接到儀表盤的接線端子上,而儀表盤的接線端子與儀表接線端子間用銅線連接，上述溫差就會造成測量誤差。所以應該將補償導線繞過儀表盤的接線端子直接與儀表的接線端子相連。
5)注意使用長度。熱電偶的信號比較低,如果補償導線的距離過長,因為環(huán)境中強電的干擾及本身信號的衰減,會使熱電偶測量值出現(xiàn)誤差。經(jīng)多次試驗驗證，補償導線的長度在15m內(nèi)時,測量結果誤差不大,超過15m則會直接影響到測量結果的準確性。若條件所迫必須使用超過15m的導線時，最好使用溫度變送器傳送信號。
6)布線。動力線路和強磁場會干擾補償導線的傳輸信號,所以,補償導線布線時要考慮遠離這些干擾源。穿越動力線路時，要采用交叉方式,不可以與之平行。如果現(xiàn)場干擾源太多且無法避免，可以采用熱電偶屏蔽補償導線的方法,增強補償導線的抗干擾性。在使用過程中--定要注意將屏敝層接地,否則反而會增強干擾,造成測量誤差更大。