热电偶补偿导线的原理及选型

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  1, 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。

  1) 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*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*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,

  1, 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。

  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

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