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(已结束)工控仪表擂台第六期--热电偶补偿导线的选择原则

2011-08-23  sandalwood

先占个沙发。热电偶在直接测量端叫工作端(热端),接线端子端叫冷端,当热端和冷端存在温差时,就会在回路里产生热电流,接上显示仪表,仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值。热电动势的大小只和热电偶的材质以及两端的温度有关,和热电偶的长短粗细无关。但由于工作端与接线端温差导致仪表显示值的误差,需要冷端补偿,同时两端间如果采用普通导线由于也会有温差电势感应,故需要选择与热电偶热电势特性相同的导线替代昂贵的热电偶材料,这就是补偿导线,用于延伸热电极即移动热电偶冷端,与显示仪表连接构成测温系统。

我的看法:

一、主要是根据热电偶的分度号来选择补偿导线种类,比如分度号为B、S等时选择补偿导线种类分别是铜、铜--坡莫合金等,具体热电偶与需匹配的补偿导线/电缆型号对应关系如下:

热电偶

分度号            正极------负极        补偿导线正极    补偿导线负极      补偿导线号

       B               铂铑30--铂铑6                铜                          铜                          BC

       S               铂铑10---铂                  SPC(铜)           SNC(铜镍0.6)            SC

       R              铂铑13---铂                   RPC(铜)          RNC(铜镍0.6)            RC

       K              镍铬---镍硅                   KPCA(铁)        KNCA((铜镍22)           KCA

       K               镍铬---镍硅                  KPCB(铜)          KNCB(铜镍40          KCB

       K               镍铬---镍硅               KPX(镍铬10)         KNX(镍硅3)             KX

       N           镍铬硅---镍硅                 NPC(铁)            NNC(铜镍18)            NC

       N           镍铬硅---镍硅       

| 2010-11-27 07:46:21 2楼
jiaoanpeng

通常热电偶补偿导线有两种延伸型补偿导线和补偿型补偿导线,延伸型补偿导线采用与热电偶一样的材质做成,可以看作是热电偶的延伸,由于采用了和热偶芯一样的材质,故价格贵,特别是热偶芯是铂铑制成的,补偿导线也很细,因此应用不多,大部分应用在精密测量和实验室及热偶校准的仪器上。工业用的补偿导线大部分都是补偿型补偿导线,其材质是廉价的合金,因此线径较大,工程费用大幅降低。而且使用环境即热电偶冷断接线柱到二次表或控制室内的环境温度低于100度,也正适合补偿导线的限制,所以现在工业上应用最广的就是补偿型补偿导线。补偿导线选择要根据不同的热偶芯进行选择,有对照表可以查询,补偿导线的正负线绝缘皮有明显的颜色出别,在与热偶接线上不会出错。

 

| 2010-11-27 09:10:25 3楼
莫子辰
补偿导线根据,热电偶的类型选择
| 2010-11-27 10:08:38 4楼
yipin
热电偶测温的时候原则上 一端是测量点的温度,另一端是0度,但是我们一般都做不到0度(除非你每个热电偶都配几个冰槽),都是直接在外面的温度,就是所谓的室温,大概就25度左右,这个时候就有误差了,(0,25)的热电势还没计算在内,就要补偿这个值。

温度补偿导线的功能是把 25度 这端延长,延长到控制室(或者其他地方),就好比 电线不够长,再加一段接上去就够长了,它的材料应该是跟热电偶里面的偶丝材料一样才不引起其他的误差,但是热电偶的偶丝都很贵,我们就用相类似的热电特性材质代替偶丝,K型的偶丝是镍络—镍硅 ,代替它的有铜(正极) -————康铜(负极),外面颜色是红 ——蓝

所以温度补偿导线不是对环境温度的补偿,它作用只是起延长的作用!要对环境温度的补偿,可以计算修正,仪表零点校正,补偿电桥等方法.
| 2010-11-27 18:08:07 5楼
zyw3166

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℃。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。

| 2010-11-27 23:47:13 6楼
zggkw_fxs
zggkw_fxs
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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。
6.热电偶冷端温度较高时采用耐高温补偿导线。
| 2010-11-28 08:32:53 7楼
涛声依旧
热电偶

分度号 正极------负极 补偿导线正极 补偿导线负极 补偿导线号

B 铂铑30--铂铑6 铜 铜 BC

S 铂铑10---铂 SPC(铜) SNC(铜镍0.6) SC

R 铂铑13---铂 RPC(铜) RNC(铜镍0.6) RC

K 镍铬---镍硅 KPCA(铁) KNCA((铜镍22) KCA

K 镍铬---镍硅 KPCB(铜) KNCB(铜镍40 KCB

K 镍铬---镍硅 KPX(镍铬10) KNX(镍硅3) KX

N 镍铬硅---镍硅 NPC(铁) NNC(铜镍18) NC

| 2010-11-29 02:55:57 8楼
PistoN

补充几点:

1、补偿导线分为延长性(型号有字母X)与补偿型(型号有字母C、CA、CB等)。延长型补偿导线由于采用与热电偶相同的材料,可在很宽的温度范围内保持高精度;误差曲线符合线性;没有补偿接点的干扰;但价格高。补偿型补偿导线由于与热电偶的材质不同,在较宽的温度范围内不能保持高精度;误差曲线的曲率大,并会随温度而变化;使用温度范围受限;补偿接点由于是两种不同的金属有可能产生干扰;但其价格便宜;但只能在规定的温度范围内使用。但是如果选择好适宜的材质还是可以得到与延长型补偿导线相同的准确度的;

2、补偿导线安热电特性的允差不同分为精密级(符号S)和普通级(符号无)。精密级的热电特性的允差在±2.5°C以内,普通级的热电特性的允差在±4°C以内;

3、补偿导线/电缆可以在-60~260℃环境下工作,使用温度:

耐热级:-65~+200℃及-65~+260℃两种;   普通级:-40~+70℃及-40~+105℃两种,根据按照铺设环境温升情况选择;根据使用安装环境温度状况选择相应的耐热等级。

4、根据安装机械受力条件决定的最小弯曲半径:

使用补偿导线最小弯曲半径:不小于导线外径的8倍;

使用热电偶补偿电缆最小弯曲半径:有铠装时不小于电缆外径的12倍,无铠装时不小于电缆外径6倍;

5、在“参比端温度”不超过120°C时,对于B分度号的热电偶可以不使用补偿导线而只用普通通导线也可保证测量精度。在常用热电偶当中,R、S 分度号补偿导线的精度是最低的,但从温度使用范围来看,0~60℃范围内误差很小,100~150℃误差就比较大了。当测量误差要求高时,必须将参比端的温度保持在100 ℃以下;

6、镍钴-镍铝热电偶200℃以下热电势几乎为零,可不用补偿导线,而镍铁-镍铜热电偶在50℃以下的热电势微乎其微,在这个温度范围内也不用补偿导线;

7、有屏蔽性补偿导线可提高抗干扰性能,但要保证安装现场能够严格的接地,这在干扰源较多的场合时有意义的。

8 、动圈式仪表现在应用极少了,如果还在使用要注意选择补偿导线的截面积和长度以保证补偿导线的电阻不可超差;而其他形式仪表一般不用在乎补偿导线这样的了。

| 2010-11-29 08:47:45 9楼
春华★秋实

不清楚搞这些理论有什么作用。。。

补偿导线的选择必须与其分度号对应。

我们知道用计算机1+1=2,但我们没必要去追究计算机究竟怎么实现这个运算过程吧?

| 2010-11-29 09:57:26 10楼
壮壮
1, 为什么要使用热电偶补偿导线。

这要从温度测量的实际使用来看。

一般来说,为了便于测量仪表的监控与操作,测量仪表都会放在温度基本恒定并便于

放置的操控台上,离实际的测温点都有一定的距离。在这个距离中,一般来说情况比较复杂,

比如会经过动力源,有电磁干扰等等,并且可能经常会受到外力的作用。而使用热电偶线就可能造成测量的误差,使用起来易于损坏,需经常更换等等。并且,热电偶丝的材料一般都比较贵重,如果长距离使用,成本也非常高。这些,都是使用补偿导线的原因。

总结起来,使用补偿导线有以下优点:

1) 改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能,采用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的挠性,接线方便,也可调节线路电阻或屏蔽外界干扰;

2) 降低测量线路成本,当热电偶与测量装置距离很远,使用补偿导线可以节省大量的热电偶材料,特别是使用贵金属热电偶时。

2, 热电偶补偿导线的分类

热电偶补偿导线分为两大类:

1) 延长型补偿导线

延长型补偿导线又称延长型导线,其合金丝的名义化学成分及热电动势标称值与配用的热电偶相同,用字母“X”附在热电偶分度号之后表示,例如“KX”表示K型热电偶用延长型补偿导线。

2) 补偿型补偿导线

补偿型补偿导线又称补偿型导线,其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同,但其热电动势值在0-100℃或0-200℃时与配用热电偶的热电动势标称值相同,用字母“C”附在热电偶分度号之后表示,例如“KC”。不同合金丝可以应用于同一分度号的热电偶,并用附加字母区别。

3, 如何正确选用热电偶补偿导线

1) 补偿导线的分度号必须与所用热电偶一致,如K型热电偶,必须使用K型偶补偿导线。

2) 根据使用环境的温度来选择,补偿导线的工作温度范围较低,一般分0-100℃和0-200℃两种,0-100℃的价格更低,可根据实际的需要来选择。

3) 如果现场干扰源多,可以选择抗干扰性强的屏蔽型补偿导线。

4) 如果同时有多个测温点,可选择内有多组补偿导线的线缆。

4, 补偿导线使用中的注意事项

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。

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,严重时会产生温度波动。通常来说,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

| 2010-11-29 16:09:52 11楼
jingtao

   热电偶测温的时候原则上 一端是测量点的温度,另一端是0度,但是我们一般都做不到0度,都是直接在外面的温度,就是所谓的室温,大概就25度左右,这个时候就有误差了,(0,25)的热电势还没计算在内,就要补偿这个值。
   补偿导线的作用是来延伸热电极即移动热电偶的冷端与显示仪表联接构成的测温系统。补偿导线一般用在热电偶上,而热电偶补偿导线的绝缘层和护层根据环境的要求所选用的材料又不一样,护套材料有聚氯乙烯,氟塑料,低烟低卤聚氯乙烯及无碱玻璃丝几种,进口优质氟塑料可以耐温260℃,并采用整体连续挤出新工艺,使该产品具有优良的耐酸,碱、耐磨和不燃延之性能,可浸入油水中长期使用。热电偶补偿导线使用温度可以在—60—260℃,属于当代国内先进水平。系列产品主要应用于各种测温装置上,补偿导线型号按产品的品种划分为SC、KC、KX、EX、JX、TX、NC。热电偶补偿导线产品使用特性:补偿导线可以在-60~260℃环境下工作,是十分理想的自动化单元。已被广泛用于石油、化工、冶金、电力等部门的自动化测温仪表的单点或者多点连接。
产品标准: 热电偶补偿导线:GB/T4989-94
热电偶补偿电缆:Q/320831SQL07-96 使用特性: 使用温度:耐热级:-65~+200℃及-65~+260℃两种;
普通级:-40~+70℃及-40~+105℃两种;
最小弯曲半径:补偿导线:不小于导线外8倍;
产品标准: 热电偶补偿导线:GB/T4989-94
热电偶补偿电缆:Q/320831SQL07-96 使用特性: 使用温度:耐热级:-65~+200℃及-65~+260℃两种;
普通级:-40~+70℃及-40~+105℃两种;
最小弯曲半径:补偿导线:不小于导线外8倍;
补偿电缆:有铠装时不小于电缆外径的12倍,无铠装时不小于电缆外径6倍
补偿电缆:有铠装时不小于电缆外径的12倍,无铠装时不小于电缆外径6倍

| 2010-11-29 16:55:55 12楼
陈石头

既然要谈热电偶补偿导线的选择原则,那么咱们就从热点偶原理讲起,然后再谈热点偶补偿导线的选择以及注意事项:

一、热电偶补偿导线的原理

1) 热电偶的测温原理

我们知道,热电偶的工作原理是两种不同材质的均匀导体组成的闭合回路,在导体两端存在温差时,导体两端就会有电流通过,形成热电动势。在回路中接入仪表,仪表就把此热电动势转换成相应的温度。如图1:

A,B 两种导体,一端通过焊接形成结点,为工作端,位于待测介质。另一端接测温仪表,为参考端。 为更好地理解下面的内容,我们将以上测温回路中形成的热电动势表示为EAB(T1,T0), 理解为:A、B两种导体组成的热电偶,工作端温度为T1,参考端温度为T0,形成的热电动势为EAB(T1,T0)。 需要特别强调的是:热电偶测温,归根结底是测量热电偶两端的热电动势。测量仪表能够让我们看到温度数值,是因为它已经将热电动势转换成了温度。
2) 热电偶补偿导线的原理:
实际应用中,测量或控制仪表离热电偶总有一定的距离。如图2. 此时需要在热电偶(图中A、B)后再接一段导线,才能将热电偶的信号接到测温表上。图中C、D即为连接热电偶和测温仪表的导线。

图中,工作端温度T1, A、B与C、D连接处温度为T2, 测量仪表端(参考端)温度为T0. 我们可以把总回路的总电动势 E 分成两段热电动势的和,即A、B为一段,热电动势为EAB(T1,T2),C、D为另一段,热电动势为ECD(T2,T0), 即:
E= EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0) (热电偶中间导体定律) (1)
在上图中,如果C、D的材质和A、B完全一样,即C即为A,D即为B,相当于热电偶A、B 在T2(中间温度)处产生了一个连接点,此时,回路总电势为:
E= EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)= EAB(T1,T0) (热电偶中间温度定律) (2)
从式(2)我们可以看出,只要是相同的热电偶,中间产生了连接点,则总电势与连接点的温度(中间温度)无关,而只与工作端和参考端的温度有关。这正是我们希望得到的。我们在热电偶布线中,不需要考虑中间有没有连接点,也不需要考虑连接点的温度,而是和一根热电偶连接到介质和测量仪表一样。
再来比较式(2)和式(1)。如果我们能找到某种材料C、D,它能满足:
ECD(T2,T0)= EAB(T2,T0) (3)
则式(1)成为:
E= EAB(T1,T2)+ ECD(T2,T0)= EAB(T1,T2)+ EAB(T2,T0)= EAB(T1,T0) (4)
满足式(3)的材料C、D我们称为热电偶A、B的补偿导线。
式(4)还告诉我们,使用了补偿导线,我们将T2延伸到了T0,但最后我们的测量结果与T2无关,这样我们也可以理解为,因为我们使用了导线C、D,是它补偿了T2处连接所产生的附加电势,而使得我们最终测量不需要再考虑T2,这也是C、D为什么叫补偿导线的原因,
二、 为什么要使用热电偶补偿导线。

大家会问,既然热电偶能够达到测温目的,为什么还要使用补偿导线呢?这要从温度 测量的实际使用来看。 一般来说,为了便于测量仪表的监控与操作,测量仪表都会放在温度基本恒定并便于 放置的操控台上,离实际的测温点都有一定的距离。在这个距离中,一般来说情况比较复杂, 比如会经过动力源,有电磁干扰等等,并且可能经常会受到外力的作用。而使用热电偶线就可能造成测量的误差,使用起来易于损坏,需经常更换等等。并且,热电偶丝的材料一般都比较贵重,如果长距离使用,成本也非常高。这些,都是使用补偿导线的原因。
总结起来,使用补偿导线有以下优点:
1) 改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能,采用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的挠性,接线方便,也可调节线路电阻或屏蔽外界干扰;
2) 降低测量线路成本,当热电偶与测量装置距离很远,使用补偿导线可以节省大量的热电偶材料,特别是使用贵金属热电偶时。 
三、 热电偶补偿导线的分类
热电偶补偿导线分为两大类:
1) 延长型补偿导线
延长型补偿导线又称延长型导线,其合金丝的名义化学成分及热电动势标称值与配用的热电偶相同,用字母“X”附在热电偶分度号之后表示,例如“KX”表示K型热电偶用延长型补偿导线。
2) 补偿型补偿导线
补偿型补偿导线又称补偿型导线,其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶不同,但其热电动势值在0-100℃或0-200℃时与配用热电偶的热电动势标称值相同,用字母“C”附在热电偶分度号之后表示,例如“KC”。不同合金丝可以应用于同一分度号的热电偶,并用附加字母区别。 
四、 如何正确选用热电偶补偿导线
1) 补偿导线的分度号必须与所用热电偶一致,如K型热电偶,必须使用K型偶补偿导线。
2) 根据使用环境的温度来选择,补偿导线的工作温度范围较低,一般分0-100℃和0-200℃两种,0-100℃的价格更低,可根据实际的需要来选择。
3) 如果现场干扰源多,可以选择抗干扰性强的屏蔽型补偿导线。
4) 如果同时有多个测温点,可选择内有多组补偿导线的线缆。 
五、 补偿导线使用中的注意事项
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。
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,严重时会产生温度波动。通常来说,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
6)  补偿导线必须与对应的热电偶配套使用(即镍铬-镍铝型热电偶应该配套镍铬-镍铝补偿导线)。
7)  补偿导线正极与热电偶正极相接,负极与负极相接,不得接错。
8)  补偿导线与热电偶的两连接点温度应相同,且不得超过100度。
9)  热电偶接上补偿导线后应修正参考端温度。

| 2010-11-30 20:58:53 13楼
3CWQZ
问下大家,这些类型的热电偶,它的量程有统一吗?对于无法统一且仪表内又固化死量程的参数,大家是怎么解决的
| 2010-11-30 21:00:06 14楼
3CWQZ
另外建议版主能不能开个贴,讨论下这个问题
| 2010-11-30 21:09:01 15楼
陈石头
引用3CWQZ 的回复内容:问下大家,这些类型的热电偶,它的量程有统一吗?对于无法统一且仪表内又固化死量程的参数,大家是怎么解决的


热电偶类型材质定了,那么他的分度值及量程也就确定了,这个查热电偶、热电阻的分度值表可以找到。
| 2010-12-01 16:51:09 16楼
玻璃的心

对于热电偶补偿导线的选择原则 这里可以分两个方面来理解:第一个方面位热电偶的工作原理,;第二个方面 为补偿的原理及选型法则。具体介绍如下:   

       (一)热电偶工作原理: 热电偶是一种感温元件,热电偶的工作原理这就要从热电偶测温原理说起。一次仪表,直接测量温度,并把温度信号转换成热电动势信号,通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质温度。 热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路,当两端存在温度梯度时,回路中就会有电流通过,此时两端之间就存在Seebeck电动势—热电动势,这就是所谓的塞贝克效应。两种不同成份的均质导体为热电极,温度较高的一端为工作端,温度较低的一端为自由端,自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系,制成热电偶分度表;分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到不同的热电偶具有不同的分度表。热电偶回路中接入第三种金属资料时,只要该资料两个接点的温度相同,热电偶所产生的热电势将坚持不变,即不受第三种金属接入回路中的影响。因此,热电偶测温时,可接入测量仪表,测得热电动势后,即可知道被测介质的温度。 B热电偶工作原理: 两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当接合点的温度不同时,回路中就会发生电动势,这种现象称为热电效应,而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度丈量的其中,直接用作丈量介质温度的一端叫做工作端(也称为丈量端)另一端叫做冷端(也称为弥补端)冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。 热电偶实际上是一种能量转换器,将热能转换为电能,用所产生的热电势测量温度,对于热电偶的热电势,应注意如下几个问题: 1热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差,而不是热电偶两端温度差的函数; 2热电偶所产生的热电势的大小,当热电偶的资料是均匀时,与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关; 3当热电偶的两个热电偶丝资料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度坚持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。

(二)热电偶的补偿原理:由热电偶的测温原理可知,热电偶产生的热电势与热端(又称测量端)、参比端(又称冷端)的热电势有关,只有参比端温度t1 为零或恒定不变,热电势才是热端温度的单值函数(见图1)。如果不补偿的话,则热电偶的参比端温度与仪表接线端温度t2间的温差t1-t2越大,测量误差也越大。由于大多数热电偶的热电势与温度的关系近似线性,所以造成的测量误差大致等于上述温差。以K 分度号的镍铬-镍硅热电偶为例,当t1=50℃,t2=20℃时,如热端温度为1000℃,则显示温度仅969℃,误差达31℃。

实际应用时,由于热电偶参比端的接线盒通常暴露在大气中,温度变化较大,如不采取措施,接线盒内温度既不可能为零,也不可能保持某个温度恒定不变,由此引起测量误差。由于与热电偶相连的二次仪表(如显示器、记录仪)、I/O插卡等均带环境温度补偿,可对这些装置与热电偶的接线点(即仪表接线端)温度t2进行补偿。由此可见,关键是如何对热电偶的参比端温度t1 进行补偿。目前有多种参比端补偿方法,如恒温法、补偿电桥法、补偿热电偶法、补偿导线法等,但最常用的就是补偿导线法。

下面首先叙述补偿导线的原理和分类,然后介绍补偿导线应用中通常需要了解的几个问题。

(三)、补偿导线的工作原理及分类

1、补偿导线的工作原理

在一定温度范围内,热电性能与热电偶热电性能很相近的导线称为热电偶的补偿导线。

按热电偶中间温度定则,热电偶测温回路的总电势值只与热端和参比端的温度有关,而不受中间温度变化的影响,所以可用与热电偶材料相匹配的补偿导线来代替需要延伸的贵重热电偶材料,将参比端由热电偶接线盒延伸到仪表接线端,由补偿导线对原参比端温度进行补偿。

补偿导线除了可减少测量误差外,还有以下优点:可改善热电偶测温线路的物理性能和机械性能,如采用多股线芯或小直径补偿导线可提高线路的柔韧性,使连接方便,也易于屏蔽外界干扰;可降低测量线路成本。

2、补偿导线的分类

从原理上分延长型和补偿型,延长型其合金丝的名义化学成分与配用的热电偶相同,因而热电势也相同,在型号中以"X"表示,补偿型其合金丝名义化学成分与配用的热电偶不同,但在其工作温度范围内,热电势与所配用热电偶的热电势标称值相近,在型号中以"C"表示。

从补偿精度分普通级和精密级,精密级补偿后的误差大体上只有普通级的一半,通常用在测量精度要求较高的地方。如S、R分度号的补偿导线,精密级的允差为±2.5℃,普通级的允差为±5.0℃;K 、N分度号的补偿导线,精密级的允差为±1.5℃,普通级的允差为±2.5℃。在型号中普通级的不标,精密级的加"S"表示。

从工作温度分一般用和耐热用,一般用工作温度为0 ~ 100℃(少数为0 ~ 70℃);耐热用工作温度为0 ~ 200℃。

此外,可以线芯多少分为单股和多芯(软线)补偿导线,以是否带屏蔽层分为普通型和屏蔽型补偿导线,还有专用于防爆场合的本质安全电路用的补偿导线。

四、应用中的几个问题

1、补偿导线与热电偶的匹配

各种分度号的补偿导线只能与相同分度号的热电偶配用,否则可能欠补偿或过补偿,常用热电偶在100℃和200℃时需补偿的热电势值见表1:

表1 常用热电偶在100℃和200℃时的热电势值

热电偶名称 热电偶分度号 参考端为 0℃时的热电势 mV
100℃ 200℃
铂铑10—铂 S 0.646 1.441
铂铑13—铂 R 0.647 1.469
铂铑30—铂铑6 B 0.033 0.178
镍铬—镍硅 K 4.096 8.138
镍铬硅—镍硅 N 2.774 5.913
镍铬—铜镍 E 6.319 13.421
铁—铜镍 J 5.269 10.779
铜—铜镍 T 4.279 9.288

当我们用K分度号的补偿导线配用N分度号的热电偶,将造成过补偿,显示温度偏高;反之,用N分度号的补偿导线配用K分度号的热电偶,将造成欠补偿,显示温度偏低。

2、补偿导线分度号和极性的判断

有时可根据资料所列补偿导线的材料、绝缘层及护套颜色判断,但由于国内新旧标准、IEC标准的规定有差异,用这个方法对补偿导线的分度号和极性常常难以准确判断。

最可靠最常用的方法是测试法,就是将补偿导线的两端剥去绝缘层,把两根导线绞合在一起制成热电偶的热端,放到沸腾的水中,两根导线的另一端与直流电位差计相连(不应该与动圈式直读mV 表相连,因测量时取电流其读数偏低),将测得的热电势与表1比较,与之最接近的即为补偿导线的分度号,根据电位差计的正负极可确定补偿导线的极性。由于测试时由补偿导线构成的热电偶的参比端温度不一定是0℃,例如是20℃,则所测热电势低于参比端为0℃的热电势值。以某种不明分度号的补偿导线为例,如参比端温度约20℃,测量值如在3.928±0.150mV范围内,则可判断这种补偿导线的分度号是K。3.928是K分度号热电偶100℃和20℃时热电势的差值,0.150是K分度号普通级补偿导线的允差。

3、补偿导线仪表盘接线点的位置

我们知道,补偿导线只是把热电偶的参比端延长,起到移动参比端位置的作用,延伸后的参比端温度应当恒定或配用本身具有参比端温度自动补偿的装置,否则仍可能因新的参比端温度变化引起测量误差。

比如在仪表盘内接线时,由于常用盘装显示器、记录仪本身因通电而发热,使其接线端子处的温度高于仪表盘接线端子处的温度。当热电偶的补偿导线引进仪表盘后,如果将其接到仪表盘的接线端子上,而仪表盘的接线端子与仪表接线端子间用铜线连接,则因上述温差存在将造成测量误差。所以最好将补偿导线跨过仪表盘的接线端子直接与仪表的接线端子相连。

4、补偿导线的线路电阻

对早期配热电偶的动圈式仪表来说,有5Ω、15Ω两种线路电阻的要求,当热电偶安装地点离动圈表较远时,或采用分度号K、N、E、J、T等包含有铜镍材料的补偿导线时,其线路电阻较大,选用时要注意选较大截面的补偿导线。比如选用外接15 Ω线路电阻 E分度号的动圈式仪表时,其配用的补偿导线截面为1.0 mm2、2.5 mm2 ,而对应的单位长度线路电阻分别为 1.25Ω/m和 0.5Ω/m, 则补偿导线的最大允许长度仅为 12 m和 30 m。设计时如不留心,这个长度很容易超过,造成测量误差。

5、R、S分度号热电偶的补偿导线

同称为铂铑-铂的热电偶有R、S两种分度号,分别代表铂铑13-铂和铂铑10-铂热电偶,前者在国内应用较少, 但其热电势较大(1600℃时R、S分度热电偶的热电势分别为18.849mV和16.777 mV),而在低温段 100℃ 时两者基本一致(R、S 分度号的热电势分别为 0.647 mV和0.646 mV),200 ℃时稍有差别(R、S 分度号的热电势分别为 1.467 mV和1.441mV),所以目前国内市场上R、S分度号的补偿导线是通用的。如将市场上通常采购得到的S分度号的补偿导线用于R分度号的热电偶,在100℃以下无误差,即使到了耐热用补偿导线的极限温度200℃,当热电偶的热端温度分别为600℃、1000℃、1300℃时,所引起的误差仅为 2.5℃、2.2℃、2.0℃。

这一点可作为1节的一个特例。

在常用热电偶当中,R、S 分度号补偿导线的精度是最低的,但从温度使用范围来看,0~60℃范围内误差很小,100~150℃误差就比较大了。当测量误差要求高时,必须将参比端的温度保持在100 ℃以下。

6、补偿型与延伸型补偿导线的比较

K 分度号的补偿导线有补偿型KC补偿导线与延伸型KX补偿导线,以下性能对照表2可以供实际选用时参考。

表2 K分度号补偿型与延伸型补偿导线的性能比较

性 能 补 偿 型 KC 延 伸 型 KX
材质 与热电偶材质不同 与热电偶材质相同
热电势特性 一定温度范围内,与配用热电偶相近 与配用热电偶相同
误差曲线 非线性,随温度而变 线性
使用温度范围 受限制(如一般用补偿导线为100℃) 不受限制(仅取决于绝缘材料)
线路电阻 低(约0.8Ω/m,mm2) 高(1.5Ω/m,mm2)
补偿接点干扰 因两种不同材料构成补偿接点,可能产生干扰 无
补偿精度 低 高
价格 低 高(约高1~2倍)

7、双铂铑热电偶不用补偿导线

前面讲了这么多,都是说要用补偿导线去补偿热电偶参比端温度,但在常用热电偶中,分度号B的双铂铑(铂铑30-铂铑6)热电偶是一个例外,它没有专用的补偿导线,或者换一句话说,在实际应用中,它一般没有必要使用补偿导线。

双铂铑热电偶常用于1300~1600 ℃温度段的测温(≤1300℃ 通常采用铂铑-铂热电偶),其低温段的热电势出奇地低,如100℃时的热电势仅 0.033mV, 200℃时的热电势为0.178mV,与整个测温范围内(0~1800 ℃)每100℃的平均热电势为0 .700mV 比较,相差悬殊,所以即使不补偿,造成的误差也很小。例如当热端温度为1300℃和1600℃时,如参比端温度t1=100℃ 时,造成的误差为±3.0℃,如t1=120℃ 时,造成的误差为±5,.0℃ ,均达到使用普通级补偿导线 ±5℃的要求。但值得注意的是,如t1=200℃ 时,则可能造成±16.3℃的误差,因此对双铂铑热电偶来说,虽然在通常情况下可不使用补偿导线,但限制条件是参比端温度t1≤120℃,否则将造成较大的误差。

在不常用的热电偶中,镍钴-镍铝热电偶200℃以下热电势几乎为零,可不用补偿导线,而镍铁-镍铜热电偶在50℃以下的热电势微乎其微,在这个温度范围内也不用补偿导线。

| 2010-12-01 19:32:26 17楼
浅醉闲眠
多谢诸位参加仪表擂台!热电偶及其补偿导线是分别对应的,在实际选型时,相信大家会从各个方面考虑,希望大家多讨论热电偶补偿导线的选择原则,和自己在实际工作中的经验,通过工控网擂台这个平台,共同学习交流,提高自己的技术水平。
| 2010-12-01 20:01:33 18楼
cqu_rockwell

补偿导线的作用是来延伸热电极即移动热电偶的冷端与显示仪表联接构成的测温系统。
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。
4、补偿导线的选择

组成热电偶需要两种不同成分的导线,一端焊接称为工作端,另一端称为参考端,利用工作端与参考端的温度差产生的热电势进行测温。而题目中只给出了一种材料的导线。权且就按镍铬-镍硅(或者镍铬-镍铝)型热电偶进行分析:
镍铬-镍硅(或镍铬-镍铝)热电偶长期使用在0-900度温度范围内测温,短期允许在1200度温度中使用。对于补偿导线选用应注意以下几点:

1、补偿导线必须与对应的热电偶配套使用(即镍铬-镍铝型热电偶应该配套镍铬-镍铝补偿导线)。

2、补偿导线正极与热电偶正极相接,负极与负极相接,不得接错。

3、补偿导线与热电偶的两连接点温度应相同,且不得超过100度。

4、热电偶接上补偿导线后应修正参考端温度。

按照上述说明,应知道该选择什么型号的补偿导线了。

| 2010-12-01 23:57:25 19楼
jiaoanpeng

因热偶的毫伏信号很微弱易受干扰,其工业上用到的补偿型补偿导线一般是带屏蔽的两芯电缆,其规格一般都是2×1.5,不同的热偶型号选择不同的补偿导线,其电缆本身就有区别,如E型热偶选择补偿导线是:2×1.5\Ex-GYVRP ,K型热偶选择补偿导线是:2×1.5\Kx-GYVRP ,补偿导线在放线过程中要有余量,铺设过程中也不能有折叠、打结挤压等现象。因为补偿导线材质较硬,如果中间有接头,不但接头处不好处理,而且接触不好会造成接触电阻大、接触不良,引起热电势不准或不稳,造成温度失真或上下波动大,因此尽量减少接头,最好做到一根线完整的铺设到控制室。其屏蔽线接地也要遵循单点接地的原则,尽量减少干扰的引入。

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