一、概述
由熱電偶的測溫原理可知,熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與熱端(又稱測量端)、參比端(又稱冷端)的熱電勢有關(guān),只有參比端溫度t1 為零或恒定不變,熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)。如果不補(bǔ)償?shù)脑挘瑒t熱電偶的參比端溫度與儀表接線端溫度t2間的溫差t1-t2越大,測量誤差也越大。由于大多數(shù)熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性,所以造成的測量誤差大致等于上述溫差。以K 分度號(hào)的鎳鉻-鎳硅熱電偶為例,當(dāng)t1=50℃,t2=20℃時(shí),如熱端溫度為1000℃,則顯示溫度僅969℃,誤差達(dá)31℃。
實(shí)際應(yīng)用時(shí),由于熱電偶參比端的接線盒通常暴露在大氣中,溫度變化較大,如不采取措施,接線盒內(nèi)溫度既不可能為零,也不可能保持某個(gè)溫度恒定不變,由此引起測量誤差。由于與熱電偶相連的二次儀表(如顯示器、記錄儀)、I/O插卡等均帶環(huán)境溫度補(bǔ)償,可對這些裝置與熱電偶的接線點(diǎn)(即儀表接線端)溫度t2進(jìn)行補(bǔ)償。由此可見,關(guān)鍵是如何對熱電偶的參比端溫度t1 進(jìn)行補(bǔ)償。目前有多種參比端補(bǔ)償方法,如恒溫法、補(bǔ)償電橋法、補(bǔ)償熱電偶法、補(bǔ)償導(dǎo)線法等,但Z常用的就是補(bǔ)償導(dǎo)線法。
本文首先敘述補(bǔ)償導(dǎo)線的原理和分類,然后介紹補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)用中通常需要了解的幾個(gè)問題。
二、補(bǔ)償導(dǎo)線的工作原理及分類
1、補(bǔ)償導(dǎo)線的工作原理
在一定溫度范圍內(nèi),熱電性能與熱電偶熱電性能很相近的導(dǎo)線稱為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線。
按熱電偶中間溫度定則,熱電偶測溫回路的總電勢值只與熱端和參比端的溫度有關(guān),而不受中間溫度變化的影響,所以可用與熱電偶材料相匹配的補(bǔ)償導(dǎo)線來代替需要延伸的貴重?zé)犭娕疾牧?,將參比端由熱電偶接線盒延伸到儀表接線端,由補(bǔ)償導(dǎo)線對原參比端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。
補(bǔ)償導(dǎo)線除了可減少測量誤差外,還有以下優(yōu)點(diǎn):可改善熱電偶測溫線路的物理性能和機(jī)械性能,如采用多股線芯或小直徑補(bǔ)償導(dǎo)線可提高線路的柔韌性,使連接方便,也易于屏蔽外界干擾;可降低測量線路成本。
2、補(bǔ)償導(dǎo)線的分類
從原理上分延長型和補(bǔ)償型,延長型其合金絲的名義化學(xué)成分與配用的熱電偶相同,因而熱電勢也相同,在型號(hào)中以"X"表示,補(bǔ)償型其合金絲名義化學(xué)成分與配用的熱電偶不同,但在其工作溫度范圍內(nèi),熱電勢與所配用熱電偶的熱電勢標(biāo)稱值相近,在型號(hào)中以"C"表示。
從補(bǔ)償精度分普通級(jí)和精密級(jí),精密級(jí)補(bǔ)償后的誤差大體上只有普通級(jí)的一半,通常用在測量精度要求較高的地方。如S、R分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線,精密級(jí)的允差為±2.5℃,普通級(jí)的允差為±5.0℃;K 、N分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線,精密級(jí)的允差為±1.5℃,普通級(jí)的允差為±2.5℃。在型號(hào)中普通級(jí)的不標(biāo),精密級(jí)的加"S"表示。
從工作溫度分一般用和耐熱用,一般用工作溫度為0 ~ 100℃(少數(shù)為0 ~ 70℃);耐熱用工作溫度為0 ~ 200℃。
此外,可以線芯多少分為單股和多芯(軟線)補(bǔ)償導(dǎo)線,以是否帶屏蔽層分為普通型和屏蔽型補(bǔ)償導(dǎo)線,還有于防爆場合的本質(zhì)安全電路用的補(bǔ)償導(dǎo)線。
三、應(yīng)用中的幾個(gè)問題
1、補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的匹配
各種分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相同分度號(hào)的熱電偶配用,否則可能欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償,常用熱電偶在100℃和200℃時(shí)需補(bǔ)償?shù)臒犭妱葜狄姳?:
表1 常用熱電偶在100℃和200℃時(shí)的熱電勢值
熱電偶名稱 | 熱電偶分度號(hào) | 參考端為 0℃時(shí)的熱電勢 mV | |
100℃ | 200℃ | ||
鉑銠10—鉑 | S | 0.646 | 1.441 |
鉑銠13—鉑 | R | 0.647 | 1.469 |
鉑銠30—鉑銠6 | B | 0.033 | 0.178 |
鎳鉻—鎳硅 | K | 4.096 | 8.138 |
鎳鉻硅—鎳硅 | N | 2.774 | 5.913 |
鎳鉻—銅鎳 | E | 6.319 | 13.421 |
鐵—銅鎳 | J | 5.269 | 10.779 |
銅—銅鎳 | T | 4.279 | 9.288 |
當(dāng)我們用K分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線配用N分度號(hào)的熱電偶,將造成過補(bǔ)償,顯示溫度偏高;反之,用N分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線配用K分度號(hào)的熱電偶,將造成欠補(bǔ)償,顯示溫度偏低。
2、補(bǔ)償導(dǎo)線分度號(hào)和極性的判斷
有時(shí)可根據(jù)資料所列補(bǔ)償導(dǎo)線的材料、絕緣層及護(hù)套顏色判斷,但由于國內(nèi)新舊標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定有差異,用這個(gè)方法對補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號(hào)和極性常常難以準(zhǔn)確判斷。
*Z常用的方法是測試法,就是將補(bǔ)償導(dǎo)線的兩端剝?nèi)ソ^緣層,把兩根導(dǎo)線絞合在一起制成熱電偶的熱端,放到沸騰的水中,兩根導(dǎo)線的另一端與直流電位差計(jì)相連(不應(yīng)該與動(dòng)圈式直讀mV 表相連,因測量時(shí)取電流其讀數(shù)偏低),將測得的熱電勢與表1比較,與之Z接近的即為補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號(hào),根據(jù)電位差計(jì)的正負(fù)極可確定補(bǔ)償導(dǎo)線的極性。由于測試時(shí)由補(bǔ)償導(dǎo)線構(gòu)成的熱電偶的參比端溫度不一定是0℃,例如是20℃,則所測熱電勢低于參比端為0℃的熱電勢值。以某種不明分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線為例,如參比端溫度約20℃,測量值如在3.928±0.150mV范圍內(nèi),則可判斷這種補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號(hào)是K。3.928是K分度號(hào)熱電偶100℃和20℃時(shí)熱電勢的差值,0.150是K分度號(hào)普通級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線的允差。
3、補(bǔ)償導(dǎo)線儀表盤接線點(diǎn)的位置
我們知道,補(bǔ)償導(dǎo)線只是把熱電偶的參比端延長,起到移動(dòng)參比端位置的作用,延伸后的參比端溫度應(yīng)當(dāng)恒定或配用本身具有參比端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难b置,否則仍可能因新的參比端溫度變化引起測量誤差。
比如在儀表盤內(nèi)接線時(shí),由于常用盤裝顯示器、記錄儀本身因通電而發(fā)熱,使其接線端子處的溫度高于儀表盤接線端子處的溫度。當(dāng)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線引進(jìn)儀表盤后,如果將其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,則因上述溫差存在將造成測量誤差。所以將補(bǔ)償導(dǎo)線跨過儀表盤的接線端子直接與儀表的接線端子相連。
4、補(bǔ)償導(dǎo)線的線路電阻
對早期配熱電偶的動(dòng)圈式儀表來說,有5Ω、15Ω兩種線路電阻的要求,當(dāng)熱電偶安裝地點(diǎn)離動(dòng)圈表較遠(yuǎn)時(shí),或采用分度號(hào)K、N、E、J、T等包含有銅鎳材料的補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí),其線路電阻較大,選用時(shí)要注意選較大截面的補(bǔ)償導(dǎo)線。比如選用外接15 Ω線路電阻 E分度號(hào)的動(dòng)圈式儀表時(shí),其配用的補(bǔ)償導(dǎo)線截面為1.0 mm2、2.5 mm2 ,而對應(yīng)的單位長度線路電阻分別為 1.25Ω/m和 0.5Ω/m, 則補(bǔ)償導(dǎo)線的Z大允許長度僅為 12 m和 30 m。設(shè)計(jì)時(shí)如不留心,這個(gè)長度很容易超過,造成測量誤差。
5、R、S分度號(hào)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線
同稱為鉑銠-鉑的熱電偶有R、S兩種分度號(hào),分別代表鉑銠13-鉑和鉑銠10-鉑熱電偶,前者在國內(nèi)應(yīng)用較少, 但其熱電勢較大(1600℃時(shí)R、S分度熱電偶的熱電勢分別為18.849mV和16.777 mV),而在低溫段 100℃ 時(shí)兩者基本一致(R、S 分度號(hào)的熱電勢分別為 0.647 mV和0.646 mV),200 ℃時(shí)稍有差別(R、S 分度號(hào)的熱電勢分別為 1.467 mV和1.441mV),所以目前國內(nèi)市場上R、S分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線是通用的。如將市場上通常采購得到的S分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線用于R分度號(hào)的熱電偶,在100℃以下*,即使到了耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線的極限溫度200℃,當(dāng)熱電偶的熱端溫度分別為600℃、1000℃、1300℃時(shí),所引起的誤差僅為 2.5℃、2.2℃、2.0℃。
這一點(diǎn)可作為1節(jié)的一個(gè)特例。
在常用熱電偶當(dāng)中,R、S 分度號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線的精度是Z低的,但從溫度使用范圍來看,0~60℃范圍內(nèi)誤差很小,100~150℃誤差就比較大了。當(dāng)測量誤差要求高時(shí),必須將參比端的溫度保持在100 ℃以下。
6、補(bǔ)償型與延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線的比較
K 分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線有補(bǔ)償型KC補(bǔ)償導(dǎo)線與延伸型KX補(bǔ)償導(dǎo)線,以下性能對照表2可以供實(shí)際選用時(shí)參考。
表2 K分度號(hào)補(bǔ)償型與延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線的性能比較
性 能 | 補(bǔ) 償 型 KC | 延 伸 型 KX |
材質(zhì) | 與熱電偶材質(zhì)不同 | 與熱電偶材質(zhì)相同 |
熱電勢特性 | 一定溫度范圍內(nèi),與配用熱電偶相近 | 與配用熱電偶相同 |
誤差曲線 | 非線性,隨溫度而變 | 線性 |
使用溫度范圍 | 受限制(如一般用補(bǔ)償導(dǎo)線為100℃) | 不受限制(僅取決于絕緣材料) |
線路電阻 | 低(約0.8Ω/m,mm2) | 高(1.5Ω/m,mm2) |
補(bǔ)償接點(diǎn)干擾 | 因兩種不同材料構(gòu)成補(bǔ)償接點(diǎn),可能產(chǎn)生干擾 | 無 |
補(bǔ)償精度 | 低 | 高 |
價(jià)格 | 低 | 高(約高1~2倍) |
7、雙鉑銠熱電偶不用補(bǔ)償導(dǎo)線
前面講了這么多,都是說要用補(bǔ)償導(dǎo)線去補(bǔ)償熱電偶參比端溫度,但在常用熱電偶中,分度號(hào)B的雙鉑銠(鉑銠30-鉑銠6)熱電偶是一個(gè)例外,它沒有的補(bǔ)償導(dǎo)線,或者換一句話說,在實(shí)際應(yīng)用中,它一般沒有必要使用補(bǔ)償導(dǎo)線。
雙鉑銠熱電偶常用于1300~1600 ℃溫度段的測溫(≤1300℃ 通常采用鉑銠-鉑熱電偶),其低溫段的熱電勢出奇地低,如100℃時(shí)的熱電勢僅 0.033mV, 200℃時(shí)的熱電勢為0.178mV,與整個(gè)測溫范圍內(nèi)(0~1800 ℃)每100℃的平均熱電勢為0 .700mV 比較,相差懸殊,所以即使不補(bǔ)償,造成的誤差也很小。例如當(dāng)熱端溫度為1300℃和1600℃時(shí),如參比端溫度t1=100℃ 時(shí),造成的誤差為±3.0℃,如t1=120℃ 時(shí),造成的誤差為±5,.0℃ ,均達(dá)到使用普通級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線 ±5℃的要求。但值得注意的是,如t1=200℃ 時(shí),則可能造成±16.3℃的誤差,因此對雙鉑銠熱電偶來說,雖然在通常情況下可不使用補(bǔ)償導(dǎo)線,但限制條件是參比端溫度t1≤120℃,否則將造成較大的誤差。
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