摘要：**熱電偶補償導線的應用機理，熱電偶補償導線的補償作用與導線的連線、選材、溫度及導線長度有關。
眾所周知，熱電偶補償導線是一對化學成分不同的金屬導線，在一定溫度範圍內與其所配接的熱電偶具有相同的溫度———熱電勢關係。熱電偶與二次儀表之間利用補償導線連線，如果極性接得正確，就相當於熱電極延長，使熱電偶的冷端延長到溫度較低(最理想的溫度是0℃)且穩定的場合，以便進行冷端溫度補償，從而達到精確測溫的目的。而補償導線的**卻比相應的熱電極便宜得多。
目前，熱電偶補償導線在工業測溫中已得到廣泛的應用，且收到了比較滿意的效果，但仍存在一些問題。為此，本文作者就補償導線的應用機理從幾個不同的角度進行分析論證。
1補償導線的補償作用
補償導線的補償可用中間溫度定律證明。設熱電偶兩熱電極的材料分別為a與b，補償導線的材料分別為a′和b′,4種材料與二次儀表構成乙個閉合的測溫迴路，正確的接線方法應是a′與a相接,b′與b相接，如圖1所示。
迴路的總熱電勢包括兩部分,即各結點的接觸電勢(也稱珀爾貼電勢)和各種材料自身兩端溫度不同而出現的溫度差電勢(也稱湯姆遜電勢)。由電子理論可知,a與b結點在t溫度下的接觸電勢為
pab(t)=(kt/q)ln(na/nb),依此類推可得b與b′、b′與a′、a′與a諸結點在相應溫度下的接觸電勢分別為
式中:t、tn、t0為各結點的溫度(k)。na、nb、na′、nb′為熱電極和補償導線各自的自由電子密度。
q為電子電荷量(4.802×10-10絕對靜電單位)。k為波爾滋曼常數,1.
38×10-16爾格/度。
迴路中熱電偶和補償導線的湯姆遜電勢的代數和分別為:
式中:σ為湯姆遜係數,表示溫差為1℃時所產生的電勢值。
實驗證明,迴路中湯姆遜電勢的代數和很小,可忽略不計,故整個測溫迴路中只考慮珀爾貼電勢。由中間溫度定律可得迴路總熱電勢為:而又:
上式的結果說明,熱電偶和補償導線組成的迴路中,在結點溫度為t、tn、t0時,,因在一定溫度範圍(0~100℃)內,補償導線的熱電特性與所配電偶的熱電特性一致,即ea′b′(tn,t0)=eab(tn,t0),可得:eabb′a′(t,tn,t0) =eab(t,tn)+eab(tn,t0)=eab(t,t0)。
由此可知,當補償導線與所配熱電偶正負極連線正確時,即可將熱電偶的冷端溫度由tn移至t0處,相當於熱電偶的熱電極延長,其等效電路如圖2所示。
對r和s型熱電偶而言,有關學者提出了一種較為理想的溫度補償系統,在500℃的條件下其補償誤差低於2℃,具體方法是採用具有3根導線的補償電纜,如圖3所示。
其負極是類似編織多股絞合的不鏽鋼線,正極是ni、20%cr、10%fe 合金線。這種三線補償電纜系統材料選擇的原則是:①a′對c′和b ′對c′的熱電特性,在一定溫度範圍內應與配補償導線的pt/rh熱電偶系統的熱電特性一致。
②a′與b′電阻與比率應與a′/c′和b ′/c′兩對導線對pt/ph熱電偶電勢差值的比率相等。a′與b′編織多股絞合線電阻之比率,可通過改變每種線材的相對根數予以調
整。實際效果充分證明,採用三線補償溫度範圍明顯增大,其基本原理是:在tn~τ0溫度範圍內,材料a′與c′和b′與c′分別產生相應的熱電勢,同時,a′與b′又構成乙隻輔助熱電偶,其所產生的熱電勢為ea′b′(tn,t0),此熱電勢類似於乙隻熱電極的湯姆遜電勢,以上幾部分熱電勢,均隨tn與t0溫差的增大而增大,且其綜合值與主熱電偶的電勢值保持著嚴格的對應關係,能在比較大的溫度範圍內發揮精確的溫度補償作用。
2補償導線與熱電偶匹配問題
2.1補償導線與熱電偶反接
誤將補償導線的正極與熱電偶的負極相接,負極與熱電偶的正極相接時如圖4所示。
迴路的總熱電勢為:而又知
得:結果證明,當補償導線與熱電偶正負極接反時,熱電偶冷端溫度的影響不僅得不到應有的補償,反而產生2倍的誤差,因此在接線時務必謹慎從事。
2.2補償導線的選材與熱電偶的要求不符
有的測溫現場採用的是鎳鉻—鎳矽熱電偶,而卻配用了鎳鉻—考銅或鉑銠—鉑熱電偶補償導線。這均不能發揮其正確的補償作用,前者導致過補償,實際爐溫低於儀表的指示值,後者導致欠補償,實際爐溫高於儀表的指示值。設熱電偶接線盒處的溫度tn為100℃,而補償導線與儀表的接線端處溫度t0為0℃,在此情況下,熱電偶所需的
補償電勢為eab(100,0)=4.095mv,前者補償導線的補償電勢應為ea ′b′(100,0)=6.317mv,則過補償2.
222mv,後者的補償電勢為ea ′b′(100,0)=0.645mv,則欠補償為3.450mv,產生的補償差值相當大。
2.3補償導線長度不足引起補償誤差
加熱裝置距儀表櫃比較遠,補償導線長度有限用普通銅導線代替,會出現欠補償的情況,見圖5所示。圖5(a)的欠補償電勢為ea′b′(tn,tn′),所出現的補償差值均難以實際測出。
在上述情況下如採用熱電偶橋式溫度補償器,不僅可以解決補償導線長度不足的問題,而且溫度的補償也可定值(20℃),二次儀表表示值只要按20℃進行補償即可。但這只適用於不具有熱電偶冷端溫度自動補償部件的儀表,如動圈式溫度指示調節儀、計算機等,其接線如圖6所示,但溫度補償器所處的環境溫度不得高於50℃。
2.4熱電偶接線盒的溫度過高
有的鹽浴爐採用直型熱電偶接線盒的溫度高達200℃以上,雖也採用了補償導線,但已超出規定溫度範圍,其補償效果受到嚴重影響,所產生的補償差值難以估計,只能採用現場校對的辦法進行比較,在此情況下,需改換直角形熱電偶,其接線盒可免受鹽浴液面的直接熱輻射作用。
3結論目前,熱電偶這一測溫裝置在工業測溫中被廣為應用,但必須配接相應的補償導線,正負極務必連線正確,這樣才可獲得預期的補償效果,否則,得不償失,會造成難以彌補的損失。此外,應用有足夠長的補償導線。
熱電偶冷端溫度補償法
一 引言 在溫度控制系統中，熱電偶是一種重要的感測器，常用於高溫環境的溫度測量。但由於熱電偶產生的熱電勢取決於其兩端的溫度，只有在冷端溫度保持恆定時，其輸出的熱電勢才是測量端 熱端 溫度的單值函式。而且，工程技術上廣泛使用的熱電偶分度表和根據分度表刻劃的測溫顯示儀的刻度都是根據冷端溫度為0 c而製作...
熱電偶工作原理
中電華辰 天津 精密測器股份公司簡述熱電偶工作原理 熱電偶的工作原理就是利用兩種不同的材料組成的閉合電路 當2端的溫度不同時，就會有電流產生 再通過測量儀表，就可以輕鬆的獲得介質的溫度。中電華辰hc系列工業用鉑銠熱電偶又叫 熱電偶，它作為溫度測量感測器,通常與溫度變送器 調節器及顯示儀表等配套使用,...
熱電偶工作原理
熱電偶溫度感測器的工作原理 塞貝克效應 若金屬棒的兩端處在不同溫度時，則自由電子便會由高溫區擴散至低溫區，因而產生熱流及電流由高溫區傳流向低溫區的現象。熱電偶 thermocouple 使兩接點分別接觸到不同的溫度，則因在不同金屬內導電子的擴散速率不同，所以，在兩金屬內的擴散電流大小也會不同，因此會...