溫度儀器測量中,溫差和補(bǔ)償導(dǎo)線的問題

1、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)（見圖1）。如果不補(bǔ) 償?shù)脑?，則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分度號的鎳 鉻-鎳硅熱電偶為例，當(dāng)t1=50C，t2=20C時(shí)，如熱端溫度為1000C， 則顯示溫度僅969C，誤差達(dá)31 C。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，

2、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，但最常用的就是補(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

3、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?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

4、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，在型號中以C表示。從補(bǔ)償精度分普通級和精密級，精密級補(bǔ)償后的誤差大體上只有普通 級的一半，通常用在測量精度要求較高的地方。如S、R分度號的補(bǔ) 償導(dǎo)線，精密級的允差為2.5C普通級的允差為5.0C;K、N分 度號的補(bǔ)償導(dǎo)線，精密級的允差為1.5C,普通級的允差為2.5C。 在型號中普通級的不標(biāo)，精密級的力0S表示。從工作溫度分一般用和耐熱用，一般用工作溫度為0 100C （少數(shù) 為0 70C）;耐熱用工作溫度為0 200C。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，還有專用于防爆場合的本質(zhì)安全

5、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的補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相同分度號的熱電偶配用，否則可能欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償，常用熱電偶在100C和200C時(shí)需補(bǔ)償?shù)臒犭妱葜狄?表1：表1常用熱電偶在100C和200C時(shí)的熱電勢值熱電偶名稱熱電偶分度號參考端為0C時(shí)的熱電勢mV100C 200C鉑銠 10一鉑 S 0.646 1.441鉑銠 13一鉑 R 0.647 1.469鉑銠 30鉑銠 6 B 0.033 0.178鎳鉻一鎳硅K 4.096 8.138鎳鉻硅一鎳硅N 2.774 5.913鎳鉻一銅鎳 E 6.319 13.421鐵一銅鎳 J 5.269 10.779銅一銅鎳

6、T 4.279 9.288當(dāng)我們用K分度號的補(bǔ)償導(dǎo)線配用N分度號的熱電偶，將造成過補(bǔ)償， 顯示溫度偏高;反之，用N分度號的補(bǔ)償導(dǎo)線配用K分度號的熱電偶， 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 分度號和極性常常難以準(zhǔn)確判斷。最可靠最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)該與動圈式直讀nV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

7、1比較，與之最 接近的即為補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號，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0c，例如是20 r，則所測熱電勢低于參比端為0c的熱電勢值。 以某種不明分度號的補(bǔ)償導(dǎo)線為例，如參比端溫度約20c，測量值 如在3.9280.150mV范圍內(nèi)，則可判斷這種補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號是他 3.928是K分度號熱電偶100C和20C時(shí)熱電勢的差值，0.150是K 分度號普通級補(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 自動補(bǔ)

8、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。所以最好將補(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圈式儀表來說，有5Q、15Q兩種線路電阻的要 求，當(dāng)熱電偶安裝地點(diǎn)離動圈表較遠(yuǎn)時(shí)，或采用分度號、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

9、大截面的補(bǔ)償導(dǎo)線。比如選用外接15 Q線路電阻E分度號的 動圈式儀表時(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1.25。/m和0.5。/m，則補(bǔ)償導(dǎo)線 的最大允許長度僅為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，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（1600C 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100C時(shí)兩者基本一致（R、S分度號的熱電勢分別為0.647

10、 mV和0.646 mV), 200 C時(shí)稍有差別很、S分度號的熱電勢分別為 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分度號的補(bǔ)償導(dǎo)線用于R分 度號的熱電偶，在100C以下無誤差，即使到了耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線的極 限溫度200C，當(dāng)熱電偶的熱端溫度分別為600C、1000C、1300C 時(shí)，所引起的誤差僅為2.5C、2.2C、2.0C。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分度號補(bǔ)償導(dǎo)線的精度是最低的，但從溫 度使用范圍來看，060C范圍內(nèi)誤差很小，100150C誤差就比較 大了。當(dāng)測量誤差要求高時(shí)，必須將參比端

11、的溫度保持在100 C以 下。6、補(bǔ)償型與延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線的比較K分度號的補(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100C）不受限制（僅 取決于絕緣材料）線路電阻 低（約 0.8Q /m, mm2） 高（1.5Q /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12

12、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B的雙鉑銠（鉑銠30-鉑銠6）熱電偶是一 個(gè)例外，它沒有專用的補(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13001600 C溫度段的測溫（W1300C通常采 用鉑銠-鉑熱電偶），其低溫段的熱電勢出奇地低，如100C時(shí)的熱電 勢僅0.033mV，200C時(shí)的熱電勢為0.178mV，與整個(gè)測溫范圍內(nèi)（01800 C）每100C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1300C和 1

13、600C時(shí)，如參比端溫度t1=100C時(shí)，造成的誤差為3.0C，如 t1=120C時(shí)，造成的誤差為5, .0C，均達(dá)到使用普通級補(bǔ)償導(dǎo) 線5C的要求。但值得注意的是，如t1=200C時(shí)，則可能造成 16.3C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t1W120C，否則將造成較 大的誤差。在不常用的熱電偶中，鎳讓鎳鋁熱電偶200 C以下熱電勢幾乎為零， 可不用補(bǔ)償導(dǎo)線，而鎳鐵鎳銅熱電偶在50C以下的熱電勢微乎其微， 在這個(gè)溫度范圍內(nèi)也不用補(bǔ)償導(dǎo)線。是補(bǔ)償導(dǎo)線的影響。熱電偶上產(chǎn)生的電壓是由兩部分產(chǎn)生的：接觸熱電勢：兩種不同導(dǎo)體接觸產(chǎn)生，因?yàn)椴煌瑢?dǎo)體

14、對電子的引力不 同。溫差熱電勢：同一導(dǎo)體上，不同位置的溫差產(chǎn)生的熱電勢。二者之和就是總的熱電勢，基本上與溫度成線性關(guān)系，如果需要更高 精度可以對照分度表用分段線性插值或者多項(xiàng)式擬合。有時(shí)候，為了延長熱電偶，需要用導(dǎo)線。但是如果延長導(dǎo)線上存在溫 差，也會產(chǎn)生熱電勢。延長導(dǎo)線與原熱電偶又形成了兩個(gè)新的熱電偶， 如果新熱電偶上電壓與溫度之間的關(guān)系和原來的不同，那么總電壓和 總溫差之間的關(guān)系自然也就與原熱電偶的不同，用原來那個(gè)K算出來 就不對了。所以需要用補(bǔ)償導(dǎo)線，最好的補(bǔ)償導(dǎo)線就是熱電偶本身，其次是熱電 勢相近的材料，如果能保證導(dǎo)線接點(diǎn)和測量儀器間溫度相同的話，銅 線也沒問題（電路板上的銅線就沒多大影響，因?yàn)閭鞲衅魃匣旧咸?處溫度相同，但是如