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工厂中如何精确的测温?系统为您讲解热电偶工作原理,补偿导线知识

2018-12-23  yf4190

热电偶是工业现场使用广泛的温度传感器,热电偶、补偿导线和显示仪表、PLC系统或DCS系统构成热电偶测温系统(如图1所示),热电偶回路中使用补偿导线后热电偶电势值仅与测量端温度和补偿导线与仪表连接处温度有关系,热电偶补偿导线的作用是延长热电极(即移动热电偶参考端)又节省高成本热电偶材料。热电偶测温系统构成。

工厂中如何精确的测温?系统为您讲解热电偶工作原理,补偿导线知识

一 热电偶的测温原理

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:

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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。

二 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或者温度模块上。图中C、D即为连接热电偶和测温仪表的导线。

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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.

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T1和参考端T0的温度有关。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。我们测出的温度=T1+T0;

为什么需要使用补偿导线?

在使用热电偶测温时,要求热电偶的参考端温度必须保持恒定。由于热电偶一般做得比较短,尤其是贵金属材料制成的热电偶更短。这样,热电偶参比端离被测对象很近,使参考端温度较高且波动很大。所以,应该用较长的热电偶,把参考端延长到温度比较稳定的地方。这种办法对于价格便宜的热电偶还比较可行,对于贵金属则很不经济,同时不便于敷设热电偶线。考虑到热电偶参考端所处温度常在100℃以下,补偿导线在此温度范围内,具有与热电偶相同的温度-热电势关系,可以起到延长热电偶的作用,且价格便宜,宜于敷设。所以,在使用热电偶时要连接补偿导线。

三 补偿导线注意事项:

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。

四 热电偶补偿导线是在一定温度范围内与所匹配的热电偶有相同热电势标称值的导线。那么不同的热电偶自然有不同的补偿导线,我们看一下如果使用不当会出现什么问题!

1、使用普通电线做热电偶信号线,未使用补偿导线

某热处理企业热电偶信号直接由两芯铜电缆连接到控制室显示仪表,使用中频繁出现热处理工件不合格品,经云南昌晖仪表制造有限公司现场检查,出现次品原因为淬火温度偏差所致,淬火温度测量不准确是因为热电偶测温系统未按要求使用补偿导线。

根据热电偶测温原理可知,热电偶回路的热电势与测量温度和热电偶参考端温度有关,安装在使用现场的热电偶参考端温度(指热电偶接线盒处温度)随环境温度变化而变化,不能恒定。在热电偶参考端温度波动情况下,使用补偿导线将参考端延长到温度较稳定的环境或远离热源的环境来补偿热电偶参考端温度变化所产生的误差。

普通电线能传送热电偶测温时产生的mV信号,但不能补偿将热电偶参考端温度延长到仪表控制室,从而导致热电偶测温系统出现温度补偿不准确。

正确方法:热电偶信号传送必须使用热电偶补偿导线,禁止用电缆替代补偿导线。

2、不同分度号热电偶和热电偶补偿导线混用,引入测量误差

某单位使用S型热电偶测量炉膛温度,工作人员知道热电偶必须使用补偿导线,便用库存K型热电偶补偿导线将铂铑10-铂热电偶信号连接到显示仪表(如图2所示),使用中发现实际炉温与测量值偏差很大,后经云南昌晖仪表制造有限公司公司将补偿导线更换更换为Sc后测温恢复正常。

按照国家质量技术监督局规定,热电偶补偿导线的热电势及允许误差应符合JJG 351-1996工作用廉金属热电偶检定规程及有关标准的规定,不同分度号对应的热电偶补偿导线在同一环境温度下的所产生的热电势不同,将不同分度号热电偶与热电偶补偿导线混用,必然给热电偶测量系统引入热电偶参考端温度补偿误差。

正确方法:各种热电偶补偿导线必须与对应分度号的热电偶配用。

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图2:热电偶与补偿导线不匹配

3、热电偶补偿导线绝缘层破损

在热电偶接线和安装使用过程中,偶尔会出现热电偶接线盒出线口处和补偿导线其他部位绝缘层磨损,故障现象表现为显示仪表或DCS系统温度显示值一般偏小。

正确方法:寻找补偿导线绝缘层破损点,重新进行绝缘处理,恢复仪表正常显示值。

4、热电偶补偿导线正负极性接反,引入测量误差

某化工厂在更换现场热电偶后出现温度测量值与实际温度有较大偏差,有时高有时低。仔细检查后发现热电偶与补偿导线极性正负接反,按照极性调整补偿导线接线后故障消除。

热电偶和热电偶补偿导线都有正负极之分,补偿导线极性反接时仪表显示值变化很大:

①补偿导线极性反接后,当热电偶与补偿导线连接处温度高于控制室温度时,仪表显示温度低于实际测量温度。

②补偿导线极性反接后,当热电偶与补偿导线连接处温度低于控制室温度时,仪表显示温度高于实际测量温度。

③补偿导线极性反接后,当热电偶与补偿导线连接处温度与控制室温度相同时,仪表显示温度与实际温度相同。

经理论证明,热电偶补偿导线使用时将极性接反导致的误差约为不用补偿导线时的2倍。

不同型号热电偶补偿导线正极绝缘层颜色均为红色层,负极颜色不同,可根据绝缘层颜色区分补偿导线型号。

正确方法:正确区分热电偶及热电偶补偿导线正负极,极性不能反接。

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5、热电偶补偿导线与接线端子接触不良

热电偶补偿导线比较硬,导线与接线端子间在接线或使用过程中容易出现接触不良,此类故障现象反映为仪表或DCS系统无显示值或显示值超量程。

处理方法:紧固接线端子,消除接触不良故障,回复仪表正常测量显示。

6、热电偶与补偿导线连接点温度超过规定的使用范围

普通热电偶补偿导线使用温度在0-100℃;耐高温补偿导线使用温度在0-200℃。比如R型热电偶补偿导线Rc和S型热电偶补偿导线Sc均为补偿型补偿导线,在各类补偿导线中准确度最低,在0-60℃环境中使用误差较小,在0-150℃环境中使用有较大负误差。

正确方法:一般补偿型热电偶补偿导线使用环境温度不超过100℃,高温型热电偶补偿导线使用可达200℃

7、热电偶补偿导线中间有接头,接头处接触不良

在热电偶补偿导线生产过程中单位长度内接头数量对于生产商而言有相关质国家量标准约束,生产商会做相应处理。在长距离敷设补偿导线中长度不够需要接线,常见施工人员将补偿导线接头处拧在一起做绝缘处理后就投入使用,使用一段时间后出现测量不准,误差增加。

正确方法:如需要延长补偿导线长度,应将同型号补偿导线相同极性线相连接,连接牢固可靠并进行焊接,做绝缘处理后投入使用。

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图3:热电偶补偿导线接头

8、补偿导线与动力电缆平行敷设,信号被干扰

某企业在施工过程中将热电偶补偿导线与电气动力平行敷设在同一电缆桥架中,系统投入使用后出现DCS系统显示热电偶温度忽高忽低,经反复检查确认为热电偶测量信号被动力线路干扰,由此引起温度测量误差最高达一百多度。

正确方法:施工过程中热电偶补偿导线与动力电缆同向敷设,将电力桥架与仪表信号桥架分别敷设,并采用屏蔽型补偿导线。如避免不了补偿导线与动力电缆在同一桥架,桥架内部应设置屏蔽隔板或交叉敷设,最大程度降低热电偶信号被干扰机率。

9、长距离使用热电偶补偿导线,因信号衰减和干扰引入测量误差

热电偶测温时产生的电势值为mV信号,因补偿导线用长度增加出现信号衰减和现场磁电干扰耦合,使仪表或DCS系统温度显示值波动。

处理方法:

①需要长距离敷设补偿导线,补偿导线线径应不低于Φ1.5mm2,减少mV信号衰减。

②选用屏蔽型补偿导线,并将屏蔽层按规范接地(必须让屏蔽层在补偿导线一端接地,接地并入仪表信号接地网,禁止将接地并入工厂电气接地网),避免因屏蔽层接地不正确而引入测量误差。

③使用温度变送器,将就地热电偶信号转换为4-20mA信号传输,提高信号抗干扰能力。

10、热电偶选配热电偶温度变送器后,不需要补偿导线?

热电偶温度变送器通常安装在热电偶接线盒内和控制柜内,这是两种不同结构的温度变送器:

①温度变送器安装在热电偶接线盒内构成一体化热电偶温度变送器,热电偶偶丝直接接到温度变送器输入端上,输出为二线制4-20mA信号,变送器与显示仪表或DCS系统直接用双绞线或两芯屏蔽电缆连接,不使用热电偶补偿导线。

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图4:一体化温度变送器不使用补偿导线

②如果温度变送器安装在控制柜内,热电偶与温度变送器之间连接必须使用补偿导线,变送器与显示仪表或DCS系统直接用双绞线或两芯屏蔽电缆连接,不使用热电偶补偿导线。

正确方法:热电偶温度变送是否使用补偿导线必须按实际应用来确定。

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图5:连接热电偶和导轨式温度变送器必须使用补偿导线

正确使用热电偶补偿导线,相关从业人员需要了解热电偶工作原理和补偿导线工作原理,更要有强烈责任感和认真踏实的工作态度,这样才能避免上面所述错误发生,从而保证热电偶精确。

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