如何正确使用补偿导线

1、如何正确使用热电偶补偿导线摘 要 在使用热电偶进行温度测量中 ,热电偶补偿导线的使用比较普遍。但经调查发现,很多地方由于没有正确使用补偿导线而出现很多问题。本文介绍了补偿导线的原理,对常见错误使用的形式进行归纳,同时从理论上分析所产生的偏差,指出正确使用方法和注意事项。关键词 热电偶 补偿导线 使用方法 误差热电偶补偿导线已经广泛用于热电偶温度测量中。如果了解了热电偶补偿导线的原理、 功能、作用方法和注意事项 ,就能充分发挥热电偶补偿导线的作用,否则就会适得其反。某钢管生产企业新引进的一套球化炉装置,装置的二十多个测温点由于设备安装人员将热电偶正负极接反 ,且补偿导线还存在多接头现象,再加上设

2、备使用人员对此知识的贫乏, 在工作中因炉温不正确导致炉内产品报废,直接经济损失达一百多万元 , 教训不可谓不深刻。实际上在众多热电偶测温现场,笔者发现用普通铜导线作连线的占40%,而使用补偿导线作连接线的仅占 60%。究其原因有二：一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

3、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

4、 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 C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、T

5、2,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

6、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

7、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

8、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

9、（ 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 8C。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 C / （卩V）左右，测量温度大约比实际温度 低16C。如果控制温度设定在 600C ,实际温度应该在616C左右。从上面的分析可以看出 ,当热

10、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)

11、 +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 EZT1,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900C,控制间环境温度为 25C ,仍按照T3-T2=8 C，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

12、900C时,实际值只有875.1 C ,误差24.9C。如果上述情况又将极性接反，仪表测量值偏高，仪表显示900C时，实际温度为933.2C ,误 差 33.2 C。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

13、 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

14、连接导线没有影响。如果Tn1 MTn2,eYX1C (Tn1) +eCY1X (Tn2 )工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。四、 补偿导线使用中注意事项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

15、作温度为-20100 C ,宽范围的为-25200 C。普通级误差为土 2.5 C ,精密级为土 1.5 C。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

16、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。热电偶补偿导线热电偶补偿导线的作用 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测温系统。本产品采用 GB T 4989-94 热电偶用补偿导线国家标准（等效采用 IEC584-3 热电偶第三部分 补偿导线国际标准 ），绝

17、缘层和护层选用进口优质氟塑料，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。使用温度一60 205 260 C,属于当代国际先进水平。产品主要应用于各种测温装置，已被广泛用于石油、化工、冶金、电 力等部门。热电偶补偿导线主要技术指标：热电偶补偿导线号按产品的品种划分为 SC、 KC 、 KX、 EX、 JX、 TX、 NC其中：a）型号第一个字母与热电偶的分度号相对应；b）字母“ X”示延伸型补偿导线（型别）；c）字母“ C”示补偿型补偿导线 （型别）。注： SC 型补偿导线可配用 R 型分度号热电偶结构特征、绝缘层、护层材料、使用温度使用分类

18、、允差等级、护层着色标志绝缘层及护层 使用温度材料 符号聚氟乙烯 PVC -2570 °C-25 105 C聚全氟乙丙烯 FEP -60205C 可溶性聚四氟乙烯 PFA -60260C结绝示意护层 绝缘层 合金丝 护层 屏蔽层 合金丝使用分类 标志 允许登记及护层着色普通级 精密级一般用 G （黑色） S （灰色）耐热用 H （黑色） S （灰色）产品标号（标记） 补偿导线合金丝和绝缘层颜色配用热电偶分度号一般用（G）产品标号耐热用（H）1、 补偿线缆按产品品种划分为：SC BC KC KX JX TX EA,其中字母“表示延伸型补偿 导线，字母“ C表示补偿线缆其热电势和电阻值符

19、合下表规定：2、 补偿线缆防潮试验的绝缘电阻在40 C水中24小时后不小于（10米）25MD .3、 补偿线缆耐热老化24小时后进行5倍外径试验，经电压试验5000V/1min 不击穿。订的时候需标明型号、规格、线芯截面、线芯数、屏蔽方式和数量例：EX-GV2R-GS 2X2.5mm21500m EX-FPF-GS 24X2X2.5mm21000m（总屏蔽）KX-HF4BPP-GS12X2X 1.5mm212000m（ 分对屏）热电偶补偿导线KX-GA-VV聚氯乙烯绝缘 聚氯乙烯护套 精密级K分度 号热电偶补偿 导线KX-GA-VVR聚氯乙烯绝缘 聚氯乙烯护套 精密级K分度 号热电偶补偿 软导

20、线KX-GA-VVP聚氯乙烯绝缘 聚氯乙烯护套 铜丝编织屏蔽 精密级K分度 号热电偶补偿 导线KX-GA-VVRP聚氯乙烯绝缘 聚氯乙烯护套 铜丝编织屏蔽 精密级K分度 号热电偶补偿 软导线KX-HA-FF氟塑料绝缘和 护套精密级K 分度号热电偶 补偿导线KX-HA-FFR氟塑料绝缘和 护套精密级K 分度号热电偶 补偿软导线KX-HA-FFP氟塑料绝缘和 护套铜丝编织 屏蔽精密级K 分度号热电偶 补偿导线KX-HA-FFRP氟塑料绝缘和 护套铜丝编织 屏蔽精密级K 分度号热电偶 补偿软导线KX-HA-FG氟塑料绝缘硅 橡胶护套精密 级K分度号热 电偶补偿导线KX-HA-FGR氟塑料绝缘硅 橡胶

21、护套精密 级K分度号热 电偶补偿软导 线KX-HA-FGP氟塑料绝缘硅 橡胶护套铜丝 编织屏蔽精密 级K分度号热 电偶补偿导线KX-HA-FGRP氟塑料绝缘硅 橡胶护套铜丝 编织屏蔽精密 级K分度号热 电偶补偿软导 线KX-HA-FV氟塑料绝缘聚 氯乙烯护套精 密级K分度号 热电偶补偿导线KX-HA-FVR氟塑料绝缘聚 氯乙烯护套精 密级K分度号 热电偶补偿软 导线KX-HA-FVP氟塑料绝缘聚 氯乙烯护套铜 丝编织屏蔽精 密级K分度号 热电偶补偿导 线KX-HA-FVRP氟塑料绝缘聚 氯乙烯护套铜 丝编织屏蔽精 密级K分度号 热电偶补偿软 导线KX-GA-YJV交联聚乙烯绝 缘聚氯乙烯护 套精密级K分 度号热电偶补 偿导线KX-GA-YJVR交联聚乙烯绝 缘聚氯乙烯护 套精密级K分 度号热电偶补 偿软导线KX-GA-YJVP交联聚乙烯绝 缘聚氯乙烯护 套铜丝编织屏 蔽精密级K分 度号热电偶补 偿导