摘 要
在使用熱電偶進(jìn)行溫度測(cè)量中,熱電偶補(bǔ)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(bǔ)償導(dǎo)線而出現(xiàn)很多問題。本文介紹了詳細(xì)原理,對(duì)常見錯(cuò)誤使用的形式進(jìn)行歸納,同時(shí)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(xiàng)。
熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測(cè)量中。如果了解了原理、功能、作用方法和注意事項(xiàng),就能充分發(fā)揮作用,否則就會(huì)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(gè)測(cè)溫點(diǎn)由于設(shè)備安裝人員將正負(fù)極接反,且補(bǔ)償導(dǎo)線還存在多接頭現(xiàn)象,再加上設(shè)備使用人員對(duì)此知識(shí)的貧乏,在工作中因爐溫不正確導(dǎo)致爐內(nèi)產(chǎn)品報(bào)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(shí)際上在眾多測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng),筆者發(fā)現(xiàn)用普通銅導(dǎo)線作連線的占40%,而使用補(bǔ)償導(dǎo)線作連接線的僅占60%。究其原因有二：
一是由于設(shè)備使用操作人員不了解補(bǔ)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)備制造商在安裝時(shí),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(cè)量和控制,人們對(duì)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(huì)給測(cè)溫和控溫造成很大的偏離,嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接造成經(jīng)濟(jì)損失,所以應(yīng)該引起重視。
一、測(cè)溫原理簡介
由2種不同均質(zhì)材料a、b組成的回路稱為熱電偶。a、b材料2端連接的接點(diǎn)分別用j1、j2表示,如果j1、j2的接點(diǎn)溫度t1和t2不一樣,在回路中就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì),通常稱為熱電勢(shì)。當(dāng)a、b的材料一定時(shí),熱電勢(shì)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,接點(diǎn)溫度t1、t2之間的溫差電勢(shì)。
eab(t1)———a、b接點(diǎn)溫度為t1時(shí)的電勢(shì)。
eab(t2)、eba(t1)———a、b接點(diǎn)溫度為t2時(shí)的電勢(shì),這2項(xiàng)大小相等,符號(hào)相反。
為了統(tǒng)一材料并進(jìn)行規(guī)范,國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了組成材料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(gè)字母命名型號(hào),如k型、s型等。為了使用方便,將各種型號(hào)的溫度值與電勢(shì)關(guān)系,統(tǒng)一為相對(duì)于0℃時(shí)的電勢(shì)值,這里用t0表示,制成各種型號(hào)的分度表,便于查閱和計(jì)算。
這樣相對(duì)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(shí)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(duì)于熱電勢(shì)無法測(cè)量；右圖為目前實(shí)際使用的測(cè)量電路,在的2極用測(cè)量導(dǎo)線連接,根據(jù)中間導(dǎo)體定律,只要右圖中接點(diǎn)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(bǔ)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(shí)際應(yīng)用中,測(cè)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)中間導(dǎo)體定律,可以導(dǎo)出測(cè)量的總電勢(shì)ez的表達(dá)式為：
ez=eab(t1,t3)+ecd(t3,t2) (3)
式(3)就是連接導(dǎo)體定律。如果連接的不是一段,總電勢(shì)ez同樣為各個(gè)部分之和。在圖2的測(cè)量中,我們希望測(cè)量端的總電勢(shì)為eab(t1,t2),便于控制儀表測(cè)量中不至于中間連接產(chǎn)生附加電勢(shì),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(bǔ)償導(dǎo)線。因?yàn)榉N類較多,所以補(bǔ)償導(dǎo)線的種類也較多。
2. 在工業(yè)溫度測(cè)量和溫度控制中正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線
工業(yè)溫度測(cè)量、控制中,熱電偶使用的位置總是距測(cè)量、控制表(下面簡稱儀表)有一定的距離,因而從輸出端到測(cè)量、控制表的輸入端,需使用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線均有正負(fù)極,故接線時(shí)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(huì)給測(cè)量帶來誤差,作用就是補(bǔ)償t3和t2,不同種類的,要使用相應(yīng)型號(hào)的產(chǎn)品，不能混用。
三、 常見使用中的錯(cuò)誤和產(chǎn)生的誤差
1. 正負(fù)極與熱電偶接反
如果將正負(fù)極與熱電偶正負(fù)極接反,而正負(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(cuò)誤在應(yīng)用中比較普遍,因?yàn)檫B接后,被控制對(duì)象的溫度變化趨勢(shì)與顯示儀表是一致的。加之目前產(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(cuò)。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(shì)為
ez=ek(t1,t3)+ekx(t3,t2)=ek(t1,t3)+ek(t3,t2)
=ek(t1,t2)(6)
因?yàn)檫B接的錯(cuò)誤,根據(jù)中間導(dǎo)體定律,儀表所接收的總熱電勢(shì)為
e′z=ek(t1,t3)+ekx(t3,t2)(7)
對(duì)于kx延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線,有
e′kx(t3,t2)=-ekx(t3,t2)=-ek(t3,t2)(8)
計(jì)算,儀表測(cè)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)生誤差正好是其補(bǔ)償值的2倍。對(duì)于k型偶,微分電勢(shì)值基本在40℃/(μv)左右,測(cè)量溫度大約比實(shí)際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃,實(shí)際溫度應(yīng)該在616℃左右。
從上面的分析可以看出,當(dāng)正負(fù)極接反,不僅沒有起到補(bǔ)償作用,誤差比不接補(bǔ)償導(dǎo)線還增加一倍,因此其在連接時(shí)一定要注意極性。
如果不能確定極性時(shí),可以取一段產(chǎn)品,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zui低檔測(cè)量另一端的2根線,萬用表上會(huì)顯示測(cè)量電壓的正負(fù),信號(hào)的正極為其正極。
2. 使用的補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)不對(duì)
同種產(chǎn)品配同種熱電偶,如果所選的種類不對(duì),一樣產(chǎn)生誤差。假設(shè)使用s型熱電偶,選擇了k型偶kx。
根據(jù)中間導(dǎo)體定律,儀表所接收的總熱電勢(shì)為
e′z(t1,t2)=es(t1,t3)+ekx(t3,t2)(10)
如果正確使用s型偶補(bǔ)償導(dǎo)線sc,不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線自身誤差,儀表測(cè)量的總電勢(shì)為ez(t1,t2)=es(t1,t3)=es(t3,t2)(11)
由于選錯(cuò)了儀表測(cè)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(shì)差為
ek(t3,t2)-es(t3,t2)=0.278mv
儀表測(cè)量溫度比實(shí)際溫度高。如果儀表控制在900℃時(shí),實(shí)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(cè)量值偏高,儀表顯示900℃時(shí),實(shí)際溫度為933.2℃,誤差33.2℃。
3. 補(bǔ)償導(dǎo)線與導(dǎo)線混用
在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)由于不夠長用普通導(dǎo)線連接,或斷后接上一段普通導(dǎo)線,見圖6所示。
圖6中給出了2種該產(chǎn)品和普通導(dǎo)線混用的情況。對(duì)于圖6(b)的情況,用中間導(dǎo)體定律來分析,假定熱型號(hào)為y(y表示分度號(hào)中的任一種),補(bǔ)償導(dǎo)線為yx,儀表測(cè)量端的總熱電勢(shì)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?yàn)橛幸欢窝a(bǔ)償導(dǎo)線,接點(diǎn)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(shí),ec(tn,t2)電勢(shì)較小,用導(dǎo)線連接影響不大。
對(duì)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(duì)于式(14)中,eyx1c(tn1)、ecy1x(tn2)、為其中的任1個(gè)電極與連接導(dǎo)線的電勢(shì)。
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)線影響取決于材料yx1與連接導(dǎo)線材料c的電勢(shì)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)。通常廉金屬的微分電勢(shì)要大于貴金屬熱電偶。因此上述影響折合成溫度,貴金屬影響要大些。
四、 使用中注意事項(xiàng)
1. 選擇
一定要根據(jù)所使用的種類和所使用的場(chǎng)合進(jìn)行正確選擇。例如,k型偶應(yīng)該選擇k型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線,根據(jù)使用場(chǎng)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(jí)誤差為±2.5℃,精密級(jí)為±1.5℃。
2. 接點(diǎn)連接
與接線端2個(gè)接點(diǎn)盡可能近一點(diǎn),盡量保持2個(gè)接點(diǎn)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(diǎn)處要保護(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。
3. 使用長度
1為信號(hào)很低,為微伏級(jí),如果使用的距離過長,信號(hào)的衰減和環(huán)境中強(qiáng)電的干擾偶合,足可以使信號(hào)失真,造成測(cè)量和控制溫度不準(zhǔn)確,在控制中嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度波動(dòng)。
1據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),通常使用長度控制在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(hào)。溫度變送器是將溫度對(duì)應(yīng)的電勢(shì)值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送,抗干擾強(qiáng)。
4. 布線
布線一定要遠(yuǎn)離動(dòng)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
為了提高熱電偶連接線的抗干擾性,可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)干擾源較多的場(chǎng)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(qiáng)干擾。
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