摘要在使用热电偶进行温度测量中,热电偶补偿导线的使用比较普遍。但经调查发现,很多地方由于没有正确使用补偿导线而出现很多问题。本文介绍了补偿导线的原理,对常见错误使用的形式进行归纳,同时从理论上分析所产生的偏差,指出正确使用方法和注意事项。
关键词热电偶补偿导线使用方法误差
热电偶补偿导线已经广泛用于热电偶温度测量中。如果了解了热电偶补偿导线的原理、功能、作用方法和注意事项,就能充分发挥热电偶补偿导线的作用,否则就会适得其反。
某钢管生产企业新引进的一套球化炉装置,装置的二十多个测温点由于设备安装人员将热电偶正负极接反,且补偿导线还存在多接头现象,再加上设备使用人员对此知识的贫乏,在工作中因炉温不正确导致炉内产品报废,直接经济损失达一百多万元,教训不可谓不深刻。
实际上在众多热电偶测温现场,笔者发现用普通铜导线作连线的占40%,而使用补偿导线作连接线的仅占60%。究其原因有二：
一是由于热电偶设备使用操作人员不了解补偿导线功能,认为既然只要起到连接作用,普通导线即可。
二是设备制造商在安装热电偶时,用的连接线即为普通导线,而在使用者角度总认为设备安装人员都是专业人员,做法总是正确的,没能引起应有的怀疑。
在工业生产中,虽然热电偶作为温度传感器,已经广泛使用于温度测量和控制,人们对此也比较熟悉,但如果在使用中不注意正确的使用方法,就会给测温和控温造成很大的偏离,严重时会直接造成经济损失,所以应该引起重视。
一、热电偶的测温原理简介
由2种不同均质材料A、B组成的回路（见图1）称为热电偶。A、B材料2端连接的接点分别用J1、J2表示,如果J1、J2的接点温度T1和T2不一样,在回路中就会产生电势,通常称为热电势。当A、B的材料一定时,热电势的大小取决于T1、T2之间的温度差,用公式表示为
EAB(T1,T2)=eAB（T1）+eBA（T2）=eAB（T1）-eAB(T2)(1)
式中：EAB（T1,T2）———材料为A、B的热电偶,接点温度T1、T2之间的温差电势。
eAB（T1)———A、B接点温度为T1时的电势。
eAB（T2）、eBA（T1）———A、B接点温度为T2时的电势,这2项大小相等,符号相反。
为了统一热电偶材料并进行规范,国家有关标准规定了组成热电偶材料A、B的成分、纯度,并且给出了A、B材料的组合形式,统一用一个字母命名型号,如K型、S型等。为了使用方便,将各种型号的热电偶温度值与电势关系,统一为相对于0℃时的电势值,这里用T0表示,制成各种型号的热电偶分度表,便于查阅和计算。
这样相对于图1中的形式,公式（1）转化为
EAB（T1,T2)=EAB（T1,T0）-EAB（T2,T0）(2)
公式（2）就是我们目前使用的实用公式,只要知道T1、T2,可以从分度表中查出EAB（T1,T0）和EAB（T2,T0）。
图1中左图为原理图,该图中对于热电势无法测量；右图为目前实际使用的测量电路,在热电偶的2极用测量导线连接,根据热电偶中间导体定律,只要右图中接点J2、J3的温度相同,均为T2,并且连接导线均为同种均质材料,图1中的右图与左图是等效的。
二热电偶补偿导线
1.连接导体定律和中间温度定律
首先我们来分析热电偶的连接导体定律和中间温度定律,如图2。
实际应用中,测量和控制仪表与热电偶总是有一段距离,如图2所示。C、D也是2种均质材料,根据热电偶的中间导体定律,可以导出测量的总电势EZ的表达式为：
EZ=EAB（T1,T3）+ECD（T3,T2）（3）
式(3)就是热电偶连接导体定律。如果连接的不是一段,总电势EZ同样为各个部分之和。在图2的测量中,我们希望测量端的总电势为热电偶EAB（T1,T2）,便于控制仪表测量中不至于中间连接产生附加电势,表达式为：
EAB（T1,T2）=EZ=EAB（T1,T3）+EAB（T3,T2）（4）
式(4)中T3称为中间温度,所以也称为中间温度定律。这样就要求我们找到某种材料C、D,他的特性为：
ECD（T3,T2）=EAB（T3,T2）（5）
满足式(5)的材料我们称为热电偶的补偿导线。因为热电偶的种类较多,所以热电偶补偿导线的种类也较多。
2.在工业温度测量和温度控制中正确使用补偿导线
工业温度测量、控制中,热电偶使用的位置总是距测量、控制表（下面简称仪表）有一定的距离,因而从热电偶的输出端到测量、控制表的输入端,需使用补偿导线连接。由于热电偶和补偿导线均有正负极,故接线时应该正极与正极连接,负极与负极连接。见图3所示。
图3中由于T3和T2的温度差会给测量带来误差,补偿导线的作用就是补偿T3和T2,不同种类的热电偶,要使用相应型号的补偿导线,不同型号的补偿导线不能混用。
三、常见补偿导线使用中的错误和产生的误差
1.热电偶补偿导线正负极与热电偶接反
如果将热电偶补偿导线的正负极与热电偶正负极接反,而热电偶的正负极与仪表的正极连接是正确的,以K型偶为例见图4所示。这种错误在应用中比较普遍,因为连接后,被控制对象的温度变化趋势与显示仪表是一致的。加之目前热电偶补偿导线产品很多标注不规范,难以辨认；有些甚至是生产厂家将颜色标错。下面分析由于这种情况所产生的误差。
如果正确连接,仪表所接收的总热电势为
EZ=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）=EK（T1,T3）+EK（T3,T2）
=EK（T1,T2）（6）
因为连接的错误,根据中间导体定律,仪表所接收的总热电势为
E′Z=EK（T1,T3）+EKX（T3,T2）（7）
对于KX延伸型补偿导线,有
E′KX（T3,T2）=-EKX（T3,T2）=-EK（T3,T2）（8）
计算,仪表测量值由此产生误差为
EZ′-EZ=EK（T1,T3）-EK（T3,T2）-EK（T1,T3）-EK（T3,T2）
=2EK（T3,T2）（9）
一般工业炉附近的温度,至少比控制间的温度高8℃。那么由此产生误差正好是补偿导线补偿值的2倍。对于K型偶,微分电势值基本在40℃/（μV）左右,测量温度大约比实际温度低16℃。如果控制温度设定在600℃,实际温度应该在616℃左右。
从上面的分析可以看出,当热电偶补偿导线正负极接反,不仅没有起到补偿作用,误差比不接补偿导线还增加一倍,因此补偿导线在连接时一定要注意极性。
如果不能确定热电偶补偿导线极性时,可以取一段补偿导线,将一端绝缘去掉后拧在一起,放在热水杯中,用普通万用表直流电压量程最低档测量另一端的2根线,万用表上会显示测量电压的正负,信号的正极为补偿导线的正极。
2.使用的补偿导线型号不对
同种补偿导线配同种热电偶,如果所选的补偿导线种类不对,一样产生误差。假设使用S型热电偶,选择了K型偶的补偿导线KX,如图5所示。
根据中间导体定律,仪表所接收的总热电势为
E′Z（T1,T2）=ES（T1,T3）+EKX（T3,T2）（10）
如果正确使用S型偶补偿导线SC,不考虑补偿导线自身误差,仪表测量的总电势为EZ（T1,T2）=ES（T1,T3）=ES（T3,T2）（11）
由于选错了补偿导线仪表测量值由此产生误差为式(10)-式(11)
EZ′-EZ=EK（T3,T2）-ES（T3,T2）-EK（T3,T2）-ES（T3,T2）（12）
如果S型热电偶工作温度为900℃,控制间环境温度为25℃,仍按照T3-T2=8℃,分别查S偶和K偶分度表,得出电势差为
EK（T3,T2）-ES（T3,T2）=0.278mV
仪表测量温度比实际温度高。如果仪表控制在900℃时,实际值只有875.1℃,误差24.9℃。
如果上述情况又将极性接反,仪表测量值偏高,仪表显示900℃时,实际温度为933.2℃,误差33.2℃。
3.补偿导线与导线混用
在实际应用中,经常会发现由于补偿导线不够长用普通导线连接,或补偿导线断后接上一段普通导线,见图6所示。
图6中给出了2种补偿导线和普通导线混用的情况。对于图6(B)的情况,用中间导体定律来分析,假定热电偶的型号为Y（Y表示热电偶分度号中的任一种）,补偿导线为YX,仪表测量端的总热电势为
E′Z=EY（T1,T3）+EYX（T3,Tn）+EC（Tn,T2）（13）
如果Tn与T2温度基本相等,EC（Tn,T2）=0,用导线连接没有影响。
如果Tn与T2温度不相等,因为有一段补偿导线,接点Tn也是远离热工设备周围,Tn总是小于T3,在室温下与T2差别不大时,EC（Tn,T2)电势较小,用导线连接影响不大。
对于图6(A)的情况,用中间导体定律来分析,为
E′Z=EY（T1,T3）+eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）+ETX（T3,T2）（14）
对于式(14)中,eYX1C（Tn1）、eCY1X（Tn2）、为补偿导线中的任1个电极与连接导线的电势。
如果Tn1=Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）=0,中间连接导线没有影响。
如果Tn1≠Tn2,eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）≠0,中间连接导线影响取决于补偿导线的材料YX1与连接导线材料C的电势以及Tn1、Tn2差值。eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）有可能是正,也有可能是负。折合成温度值与采用的何种热电偶有关。通常廉金属热电偶的微分电势要大于贵金属热电偶。因此上述影响折合成温度,贵金属热电偶影响要大些。
四、补偿导线使用中注意事项
1.补偿导线的选择
补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。例如,K型偶应该选择K型偶的补偿导线,根据使用场合,选择工作温度范围。通常KX工作温度为-20～100℃,宽范围的为-25～200℃。普通级误差为±2.5℃,精密级为±1.5℃。
2.接点连接
与热电偶接线端2个接点尽可能近一点,尽量保持2个接点温度一致。与仪表接线端连接处尽可能温度一致,仪表柜有风扇的地方,接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。
3.使用长度
因为热电偶的信号很低,为微伏级,如果使用的距离过长,信号的衰减和环境中强电的干扰偶合,足可以使热电偶的信号失真,造成测量和控制温度不准确,在控制中严重时会产生温度波动。
根据我们的经验,通常使用热电偶补偿导线的长度控制在15米内比较好,如果超过15米,建议使用温度变送器进行传送信号。温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送,抗干扰强。
4.布线
补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。在避免不了穿越的地方,也尽可能采用交叉方式,不要平行。
5.屏蔽补偿导线
为了提高热电偶连接线的抗干扰性,可以采用屏蔽补偿导线。对于现场干扰源较多的场合,效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地,否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用,反而增强干扰。