熱電偶的補償導(dǎo)線問題

　　近日多次與量友們討論補償導(dǎo)線的問題，見很多人對補償導(dǎo)線的理解停留在字面理解上，我特將補償導(dǎo)線的作用與使用簡單介紹如下，供大家參考學(xué)習(xí)。

　　補償導(dǎo)線的作用：

　　1）、利于熱電偶參考端溫度的修正和集中控制。

　　測量儀表一般安裝在遠(yuǎn)離熱源和環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，而普通熱電偶的接線盒（參考端安裝的地方）距被測對象很近。必須用導(dǎo)線把熱電偶參考端與儀表連接。若用普通銅導(dǎo)線連接則熱電偶參考端溫度較高而且不穩(wěn)定，給測量帶來誤差。若將熱電偶延長使熱電偶參考端遠(yuǎn)離熱源，理論上是可以的，但會造成熱電極材料的浪費。補償導(dǎo)線就是為解決這個矛盾而產(chǎn)生的。它的特點是在參考端溫度可能的變化范圍內(nèi)（0-100℃或0-150℃）由補償導(dǎo)線兩極組成的熱電偶其熱電特性與所配熱電偶的熱電特性相同，即：

　　Eab（tn，0）=Eab（tn，0）

　　根據(jù)中間溫度定律可知，熱電偶回路中加入補償導(dǎo)線后，其熱電勢僅與測量端溫度t和補償導(dǎo)線與儀表連接處t0有關(guān)，而與參考端溫度tn的變化無關(guān)，就象把熱電極延長到儀表處，所以補償導(dǎo)線的作用只是延長了熱電偶，它并不能消除參考端溫度不為0℃時的影響。因此還必須利用諸如0℃恒溫器法、計算法、儀表自動補償法等方法將熱電偶參考端溫度修正到0℃。

　　2）、可節(jié)省大量價格昂貴的金屬材料，如鉑銠10-鉑熱電偶，可選用廉家屬銅-鎳銅補償導(dǎo)線。

　　使用補償導(dǎo)線應(yīng)注意：

　　1）、各種補償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號的熱電偶配用。

　　2）、補償導(dǎo)線有正、負(fù)極之分，使用時極性不可接錯，否則會造成測量誤差。

　　3）、熱電偶和補償導(dǎo)線連接點的溫度不得超過規(guī)定的使用溫度，因超過規(guī)定溫度范圍，補償導(dǎo)線與熱電偶的熱電特性相差較大而產(chǎn)生測量誤差。

　　4）、由于補償導(dǎo)線與熱電偶材料熱電特性并不完全相同，所以要求連接處的兩個接點溫度相同，否則將引入測量誤差。

　　5）為便于安裝，可選用多股補償導(dǎo)線，也可以根據(jù)需要選用防水、防腐、防火的補償導(dǎo)線。

　　6）、用粗直徑和導(dǎo)電系數(shù)大的補償導(dǎo)線，可以減小熱電偶回路的電阻，利于儀表正常工作和自動控溫。

　　以上為1987年的計量技術(shù)初級教材的內(nèi)容.

　　假設(shè)熱電偶測量端溫度為t1,參考端為t2,儀表接線端為t3,那么E(t1-t2)為熱電偶電勢,E(t3-0)為儀表補償電勢,E(t2-t3)為補償導(dǎo)線產(chǎn)生的電勢,因此我認(rèn)為補償導(dǎo)線不但可以將熱電偶延長到儀表，還能補償t2-t3間的溫度差,如果用銅導(dǎo)線,不會有E(t2-t3),因此不具備補償作用。我覺得這樣理解能更好的使用補償導(dǎo)線。

　　反對將補償導(dǎo)線說成延長導(dǎo)線，只有延長作用，那么銅導(dǎo)線也可以延長，這樣反而不利于合理使用補償導(dǎo)線.

　　如果將書本上關(guān)于補償導(dǎo)線的解釋講給熱學(xué)計量人員,也許可以理解，如果解釋給溫度儀表使用人員就費勁了.我認(rèn)為我的解釋更明了.

　　你說的也有一點道理，但使用補償導(dǎo)線的前提條件是補償導(dǎo)線與熱電偶在0—100℃時的熱電特性一致，以你假設(shè)的為例：假設(shè)使用k型熱電偶，測量端溫度為500℃，參考端溫度50℃，儀表接線端子處溫度為20℃，則輸入儀表總熱電勢為E=E(t1,t2)+E(t2,t3)=E(500,0)-E(50,0)+E(50,0)-E(20,0)=20.644mV-2.023mV+2.023mV-0.789mV=19.855mV。

　　如果補償導(dǎo)線作為熱電偶的延長，就不考慮熱電偶冷端溫度則熱電偶輸入儀表總熱電勢E=E(t1,t3)=E(500,20)=E(500,0)-E(20,0)=20.644mV-0.789mV=19.855mV。

　　兩種結(jié)果是一致的，由于規(guī)定使用補償導(dǎo)線的前提條件是補償導(dǎo)線與熱電偶在0—100℃時的熱電特性一致，就是相當(dāng)于熱電偶的延長，如果熱電特性不一致，將產(chǎn)生附加誤差，造成測量不準(zhǔn)。另外根據(jù)熱電偶的測溫原理可知，熱電偶測溫只與測量端與參考端的溫度有關(guān)，而與中間溫度無關(guān)，使用補償導(dǎo)線就是將熱電偶的參考端延長至儀表接線端子處，以便于冷端補償。

　　作者：施建政 林 松

　　單位：江蘇省張家港質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局計量測試所

　　摘　要 在使用熱電偶進(jìn)行溫度測量中，熱電偶補償導(dǎo)線的使用比較普遍。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多地方由于沒有正確使用補償導(dǎo)線而出現(xiàn)很多問題。本文介紹了補償導(dǎo)線的原理，對常見錯誤使用的形式進(jìn)行歸納，同時從理論上分析所產(chǎn)生的偏差，指出正確使用方法和注意事項。

　　關(guān)鍵詞 熱電偶 補償導(dǎo)線　使用方法　誤差

　　熱電偶補償導(dǎo)線已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測量中。如果了解了熱電偶補償導(dǎo)線的原理、功能、作用方法和注意事項，就能充分發(fā)揮熱電偶補償導(dǎo)線的作用，否則就會適得其反。

　　某鋼管生產(chǎn)企業(yè)新引進(jìn)的一套球化爐裝置，裝置的二十多個測溫點由于設(shè)備安裝人員將熱電偶正負(fù)極接反，且補償導(dǎo)線還存在多接頭現(xiàn)象，再加上設(shè)備使用人員對此知識的貧乏，在工作中因爐溫不正確導(dǎo)致爐內(nèi)產(chǎn)品報廢，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)一百多萬元，教訓(xùn)不可謂不深刻。

　　實際上在眾多熱電偶測溫現(xiàn)場，筆者發(fā)現(xiàn)用普通銅導(dǎo)線作連線的占40%，而使用補償導(dǎo)線作連接線的僅占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償導(dǎo)線功能，認(rèn)為既然只要起到連接作用，普通導(dǎo)線即可。

　　二是設(shè)備制造商在安裝熱電偶時，用的連接線即為普通

　　導(dǎo)線，而在使用者角度總認(rèn)為設(shè)備安裝人員都是專業(yè)人員，做法總是正確的，沒能引起應(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)廣泛使用于溫度測量和控制，人們對此也比較熟悉，但如果在使用中不注意正確的使用方法，就會給測溫和控溫造成很大的偏離，嚴(yán)重時會直接造成經(jīng)濟(jì)損失，所以應(yīng)該引起重視。

　　一、熱電偶的測溫原理簡介

　　由2種不同均質(zhì)材料A、B組成的回路（見圖1）稱為熱電偶。A、B材料2端連接的接點分別用J1、J2表示，如果J1、J2的接點溫度T1和T2不一樣，在回路中就會產(chǎn)生電勢，通常稱為熱電勢。當(dāng)A、B的材料一定時，熱電勢的大小取決于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，接點溫度T1、T2之間的溫差電勢。

　　eAB（T1)———A、B接點溫度為T1時的電勢。

　　eAB（T2）、eBA（T1）———A、B接點溫度為T2時的電勢，這2項大小相等，符號相反。

　　為了統(tǒng)一熱電偶材料并進(jìn)行規(guī)范，國家有關(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)一用一個字母命名型號，如K型、S型等。為了使用方便，將各種型號的熱電偶溫度值與電勢關(guān)系，統(tǒng)一為相對于0℃時的電勢值，這里用T0表示，制成各種型號的熱電偶分度表，便于查閱和計算。

　　這樣相對于圖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，該圖中對于熱電勢無法測量；右圖為目前實際使用的測量電路，在熱電偶的2極用測量導(dǎo)線連接，根據(jù)熱電偶中間導(dǎo)體定律，只要右圖中接點J2、J3的溫度相同，均為T2，并且連接導(dǎo)線均為同種均質(zhì)材料，圖1中的右圖與左圖是等效的。

　　二 熱電偶補償導(dǎo)線

　　1. 連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律

　　首先我們來分析熱電偶的連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律，如圖2。

　　實際應(yīng)用中，測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)出測量的總電勢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EZ同樣為各個部分之和。在圖2的測量中，我們希望測量端的總電勢為熱電偶EAB（T1，T2），便于控制儀表測量中不至于中間連接產(chǎn)生附加電勢，表達(dá)式為：

　　EAB（T1，T2

　�。�=EZ=EAB（T1，T3）+EAB（T3，T2） （4）

　　式(4)中T3稱為中間溫度，所以也稱為中間溫度定律。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）

　　滿足式(5)的材料我們稱為熱電偶的補償導(dǎo)線。因為熱電偶的種類較多，所以熱電偶補償導(dǎo)線的種類也較多。

　　2. 在工業(yè)溫度測量和溫度控制中正確使用補償導(dǎo)線

　　工業(yè)溫度測量、控制中，熱電偶使用的位置總是距測量、控制表（下面簡稱儀表）有一定的距離，因而從熱電偶的輸出端到測量、控制表的輸入端，需使用補償導(dǎo)線連接。由于熱電偶和補償導(dǎo)線均有正負(fù)極，故接線時應(yīng)該正極與正極連接，負(fù)極與負(fù)極連接。見圖3所示。

　　圖3中由于T3和T2的溫度差會給測量帶來誤差，補償導(dǎo)線的作用就是補償T3和T2,不同種類的熱電偶，要使用相應(yīng)型號的補償導(dǎo)線，不同型號的補償導(dǎo)線不能混用。

　　三、 常見補償導(dǎo)線使用中的錯誤和產(chǎn)生的誤差

　　1. 熱電偶補償導(dǎo)線正負(fù)極與熱電偶接反

　　如果將熱電偶補償導(dǎo)線的正負(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型偶為例見圖4所示。這種錯誤在應(yīng)用中比較普遍，因為連接后，被控制對象的溫度變化趨勢與顯示儀表是一致的。加之目前熱電偶補償導(dǎo)線產(chǎn)品很多標(biāo)注不規(guī)范，難以辨認(rèn)；有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標(biāo)錯。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為

　　EZ=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）=EK（T1，T3）+EK（T3，T2）

　　=EK（T1，T2）（6）

　　因為連接的錯誤，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，儀表所接收的總熱電勢為

　　E′Z=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）（7）

　　對于KX延伸型補償導(dǎo)線，有

　　E′KX（T3，T2）=-EKX（T3，T2）=-EK（T3，T2）（8）

　　計算，儀表測量值由此產(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)生誤差正好是補償導(dǎo)線補償值的2倍。對于K型偶，微分電勢值基本在40℃/（μV）左右，測量溫度大約比實際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃，實際溫度應(yīng)該在616℃左右。

　　從上面的分析可以看出，當(dāng)熱電偶補償導(dǎo)線正負(fù)極接反，不僅沒有起到補償作用，誤差比不接補償導(dǎo)線還增加一倍，因此補償導(dǎo)線在連接時一定要注意極性。

　　如果不能確定熱電偶補償導(dǎo)線極性時，可以取一段補償導(dǎo)線，將一端絕緣去掉后擰在一起，放在熱水杯中，用普通萬用表直流電壓量程最低檔測量另一端的2根線，萬用表上會顯示測

　　量電壓的正負(fù)，信號的正極為補償導(dǎo)線的正極。

　　2. 使用的補償導(dǎo)線型號不對

　　同種補償導(dǎo)線配同種熱電偶，如果所選的補償導(dǎo)線種類不對，一樣產(chǎn)生誤差。假設(shè)使用S型熱電偶，選擇了K型偶的補償導(dǎo)線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為

　　E′Z（T1，T2）=ES（T1，T3）+EKX（T3，T2）（10）

　　如果正確使用S型偶補償導(dǎo)線SC，不考慮補償導(dǎo)線自身誤差，儀表測量的總電勢為EZ（T1，T2）=ES（T1，T3）=ES（T3，T2）（11）

　　由于選錯了補償導(dǎo)線儀表測量值由此產(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，得出電勢差為

　　EK（T3，T2）-ES（T3，T2）=0.278mV

　　儀表測量溫度比實際溫度高。如果儀表控制在900℃時，實際值只有875.1℃，誤差24.9℃。

　　如果上述情況又將極性接反，儀表測量值偏高，儀表顯示900℃時，實際溫度為933.2℃，誤差33.2℃。

　　3. 補償導(dǎo)線與導(dǎo)線混用

　　在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)由于補償導(dǎo)線不夠長用普通導(dǎo)線連接，或補償導(dǎo)線斷后接上一段普通導(dǎo)線，見圖6所示。

　　圖6中給出了2種補償導(dǎo)線和普通導(dǎo)線混用的情況。對于圖6(B)的情況，用中間導(dǎo)體定律來分析，假定熱電偶的型號為Y（Y表示熱電偶分度號中的任一種），補償導(dǎo)線為YX，儀表測量端的總熱電勢為

　　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)線連接沒有影響。

　　如果Tn與T2溫度不相等，因為有一段補償導(dǎo)線，接點Tn也是遠(yuǎn)離熱工設(shè)備周圍，Tn總是小于T3，在室溫下與T2差別不大時，EC（Tn，T2)電勢較小，用導(dǎo)線連接影響不大。

　　對于圖6(A)的情況，用中間導(dǎo)體定律來分析，為

　　E′Z=EY（T1，T3）+eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）+ETX（T3，T2）（14）

　　對于式(14)中，eYX1C（Tn1）、eCY1X（Tn2）、為補償導(dǎo)線中的任1個電極與連接導(dǎo)線的電勢。

　　如果Tn1=Tn2，eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）=0，中間連接導(dǎo)線沒有影響。

　　如果Tn1≠Tn2，eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）≠0，中間連接導(dǎo)線影響取決于補償導(dǎo)線的材料YX1與連接導(dǎo)線材料C的電勢以及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、 補償導(dǎo)線使用中注意事項

　　1. 補償導(dǎo)線的選擇

　　補償導(dǎo)線一定要根據(jù)所使用的

　　熱電偶種類和所使用的場合進(jìn)行正確選擇。例如，K型偶應(yīng)該選擇K型偶的補償導(dǎo)線，根據(jù)使用場合，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℃。普通級誤差為±2.5℃，精密級為±1.5℃。

　　2. 接點連接

　　與熱電偶接線端2個接點盡可能近一點，盡量保持2個接點溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度一致，儀表柜有風(fēng)扇的地方，接點處要保護(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點。

　　3. 使用長度

　　因為熱電偶的信號很低，為微伏級，如果使用的距離過長，信號的衰減和環(huán)境中強電的干擾偶合，足可以使熱電偶的信號失真，造成測量和控制溫度不準(zhǔn)確，在控制中嚴(yán)重時會產(chǎn)生溫度波動。

　　根據(jù)我們的經(jīng)驗，通常使用熱電偶補償導(dǎo)線的長度控制在15米內(nèi)比較好，如果超過15米，建議使用溫度變送器進(jìn)行傳送信號。溫度變送器是將溫度對應(yīng)的電勢值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送，抗干擾強。

　　4. 布線

　　補償導(dǎo)線布線一定要遠(yuǎn)離動力線和干擾源。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. 屏蔽補償導(dǎo)線

　　為了提高熱電偶連接線的抗干擾性，可以采用屏蔽補償導(dǎo)線。對于現(xiàn)場干擾源較多的場合，效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴(yán)格接地，否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用，反而增強干擾。

　　熱電偶教學(xué)反思

　　教學(xué)是一個雙向互動的過程，缺少了任何一方都不可能成功，因此我在《熱電偶傳感器》的一節(jié)教學(xué)過程中通過演示實驗和學(xué)生小組討論積極調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

　　學(xué)生之前并沒有接觸熱電偶傳感器，所以興趣很大。這節(jié)課的內(nèi)容與實際生活聯(lián)系緊密，要多注意培養(yǎng)學(xué)生分析問題的能力。本節(jié)課主要特點是：

　　1、努力創(chuàng)設(shè)情景，充分讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主人，研究溫度與電能的之間的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生興趣，讓學(xué)生仔細(xì)觀察實驗，用數(shù)據(jù)說明問題，讓學(xué)生自己發(fā)現(xiàn)、探索、總結(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的推理能力。

　　2、在學(xué)法上突出學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)問題，開展合作探究，進(jìn)行實驗探究，引導(dǎo)分析總結(jié)等，以學(xué)生為主體的特點。尤其關(guān)注課堂教學(xué)過程中學(xué)生個體差異產(chǎn)生新的教學(xué)資源并較好地進(jìn)行利用，運用評價手段不斷引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)，較好地將新課程理念結(jié)合于教學(xué)實際中。

　　3、結(jié)合生活實例，創(chuàng)設(shè)物理情景，啟發(fā)引導(dǎo)學(xué)生，幫助學(xué)生建立形象直觀的認(rèn)識，提高課堂教學(xué)和學(xué)習(xí)的效率。

　　4、當(dāng)堂檢測主要是檢查學(xué)生這節(jié)課的知識掌握情況，檢測主要是選擇題，檢測學(xué)生對于熱電偶傳感器工作原理的理解，性質(zhì)的應(yīng)用，及測量電路的原理。

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