補(bǔ)償導(dǎo)線有哪些作用及使用方法
什么是補(bǔ)償導(dǎo)線？補(bǔ)償導(dǎo)線是在一定溫度范圍內(nèi)（包括常溫0）具有與所匹配熱電偶熱電動(dòng)勢相同標(biāo)稱值的一對帶有絕緣層的到導(dǎo)線，用他們連接熱電偶與測量裝置，以補(bǔ)償它們與熱電偶連接處的溫度變化所產(chǎn)生的誤差。知道了何謂補(bǔ)償導(dǎo)線后，那么補(bǔ)償導(dǎo)線有什么作用呢？使用補(bǔ)償導(dǎo)線要注意哪些問題呢？接下來的文章將仔細(xì)分析相關(guān)內(nèi)容。
補(bǔ)償導(dǎo)線的作用：
1）、利于熱電偶參考端溫度的修正和集中控制。
測量儀表一般安裝在遠(yuǎn)離熱源和環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方，而普通熱電偶的接線盒（參考端安裝的地方）距被測對象很近。須***用導(dǎo)線把熱電偶參考端與儀表連接。若用普通銅導(dǎo)線連接則熱電偶參考端溫度較高而且不穩(wěn)定，給測量帶來誤差。若將熱電偶延長使熱電偶參考端遠(yuǎn)離熱源，理論上是可以的，但會(huì)造成熱電極材料的浪費(fèi)。補(bǔ)償導(dǎo)線就是為解決這個(gè)矛盾而產(chǎn)生的。它的特點(diǎn)是在參考端溫度可能的變化范圍內(nèi)（0-100℃或0-150℃）由補(bǔ)償導(dǎo)線兩極組成的熱電偶其熱電特性與所配熱電偶的熱電特性相同，即：
Ea'b'（tn，0）=Eab（tn，0）
根據(jù)中間溫度定律可知，熱電偶回路中加入補(bǔ)償導(dǎo)線后，其熱電勢僅與測量端溫度t和補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表連接處t0有關(guān)，而與參考端溫度tn的變化無關(guān)，就象把熱電極延長到儀表處，所以補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只是延長了熱電偶，它并不能消除參考端溫度不為0℃時(shí)的影響。因此還須***利用諸如0℃恒溫器法、計(jì)算法、儀表自動(dòng)補(bǔ)償法等方法將熱電偶參考端溫度修正到0℃。
2）、可節(jié)省大量價(jià)格昂貴的金屬材料，如鉑銠10-鉑熱電偶，可選用廉家屬銅-鎳銅補(bǔ)償導(dǎo)線。
使用補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)注意：
1）、各種補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相應(yīng)型號(hào)的熱電偶配用。
2）、補(bǔ)償導(dǎo)線有正、負(fù)極之分，使用時(shí)極性不可接錯(cuò)，否則會(huì)造成測量誤差。
3）、熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)的溫度不得超過規(guī)定的使用溫度，因超過規(guī)定溫度范圍，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的熱電特性相差較大而產(chǎn)生測量誤差。
4）、由于補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶材料熱電特性并不完全相同，所以要求連接處的兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同，否則將引入測量誤差。
5）為便于安裝，可選用多股補(bǔ)償導(dǎo)線，也可以根據(jù)需要選用防水、防腐、防火的補(bǔ)償導(dǎo)線。
6）、用粗直徑和導(dǎo)電系數(shù)大的補(bǔ)償導(dǎo)線，可以減小熱電偶回路的電阻，利于儀表正常工作和自動(dòng)控溫。
如何正確使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線
在使用熱電偶進(jìn)行溫度測量中，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的使用比較普遍。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，很多地方由于沒有正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線而出現(xiàn)很多問題。本文介紹了補(bǔ)償導(dǎo)線的原理，對常見錯(cuò)誤使用的形式進(jìn)行歸納，同時(shí)從理論上分析所產(chǎn)生的偏差，指出正確使用方法和注意事項(xiàng)。
熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測量中。如果了解了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的原理、功能、作用方法和注意事項(xiàng)，就能充分發(fā)揮熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用，否則就會(huì)適得其反。
實(shí)際上在眾多熱電偶測溫現(xiàn)場，筆者發(fā)現(xiàn)用普通銅導(dǎo)線作連線的占40%，而使用補(bǔ)償導(dǎo)線作連接線的僅占60%。究其原因有二：
一是由于熱電偶設(shè)備使用操作人員不了解補(bǔ)償導(dǎo)線功能，認(rèn)為既然只要起到連接作用，普通導(dǎo)線即可。
二是設(shè)備制造商在安裝熱電偶時(shí)，用的連接線即為普通導(dǎo)線，而在使用者角度總認(rèn)為設(shè)備安裝人員都是專業(yè)人員，做法總是正確的，沒能引起應(yīng)有的懷疑。
在工業(yè)生產(chǎn)中，雖然熱電偶作為溫度傳感器，已經(jīng)廣泛使用于溫度測量和控制，人們對此也比較熟悉，但如果在使用中不注意正確的使用方法，就會(huì)給測溫和控溫造成很大的偏離，嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接造成經(jīng)濟(jì)損失，所以應(yīng)該引起重視。
一、熱電偶的測溫原理簡介
由2種不同均質(zhì)材料A、B組成的回路稱為熱電偶。A、B材料2端連接的接點(diǎn)分別用J1、J2表示，如果J1、J2的接點(diǎn)溫度T1和T2不一樣，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電勢，通常稱為熱電勢。當(dāng)A、B的材料一定時(shí)，熱電勢的大小取決于T1、T2之間的溫度差，用公式表示為
EAB(T1，T2)=eAB（T1）+eBA（T2）=eAB（T1）-eAB(T2) (1)
式中：EAB（T1，T2）———材料為A、B的熱電偶，接點(diǎn)溫度T1、T2之間的溫差電勢。
eAB（T1)———A、B接點(diǎn)溫度為T1時(shí)的電勢。
eAB（T2）、eBA（T1）———A、B接點(diǎn)溫度為T2時(shí)的電勢，這2項(xiàng)大小相等，符號(hào)相反。
為了統(tǒng)一熱電偶材料并進(jìn)行規(guī)范，國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了組成熱電偶材料A、B的成分、純度，并且給出了A、B材料的組合形式，統(tǒng)一用一個(gè)字母命名型號(hào)，如K型、S型等。為了使用方便，將各種型號(hào)的熱電偶溫度值與電勢關(guān)系，統(tǒng)一為相對于0℃時(shí)的電勢值，這里用T0表示，制成各種型號(hào)的熱電偶分度表，便于查閱和計(jì)算。
二 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線
1. 連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律
首先我們來分析熱電偶的連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律，
實(shí)際應(yīng)用中，測量和控制儀表與熱電偶總是有一段距離，所示。C、D也是2種均質(zhì)材料，根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律，可以導(dǎo)出測量的總電勢EZ的表達(dá)式為：
EZ=EAB（T1，T3）+ECD（T3，T2） （3）
式(3)就是熱電偶連接導(dǎo)體定律。如果連接的不是一段，總電勢EZ同樣為各個(gè)部分之和。在圖2的測量中，我們希望測量端的總電勢為熱電偶EAB（T1，T2），便于控制儀表測量中不至于中間連接產(chǎn)生附加電勢，表達(dá)式為：
EAB（T1，T2）=EZ=EAB（T1，T3）+EAB（T3，T2） （4）
式(4)中T3稱為中間溫度，所以也稱為中間溫度定律。這樣就要求我們找到某種材料C、D，他的特性為：
ECD（T3，T2）=EAB（T3，T2）（5）
滿足式(5)的材料我們稱為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線。因?yàn)闊犭娕嫉姆N類較多，所以熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的種類也較多。
2. 在工業(yè)溫度測量和溫度控制中正確使用補(bǔ)償導(dǎo)線
工業(yè)溫度測量、控制中，熱電偶使用的位置總是距測量、控制表（下面簡稱儀表）有一定的距離，因而從熱電偶的輸出端到測量、控制表的輸入端，需使用補(bǔ)償導(dǎo)線連接。由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線均有正負(fù)極，故接線時(shí)應(yīng)該正極與正極連接，負(fù)極與負(fù)極連接。
由于T3和T2的溫度差會(huì)給測量帶來誤差，補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是補(bǔ)償T3和T2,不同種類的熱電偶，要使用相應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，不同型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線不能混用。
三、 常見補(bǔ)償導(dǎo)線使用中的錯(cuò)誤和產(chǎn)生的誤差
1. 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極與熱電偶接反
如果將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的正負(fù)極與熱電偶正負(fù)極接反，而熱電偶的正負(fù)極與儀表的正極連接是正確的，以K型偶為例見圖4所示。這種錯(cuò)誤在應(yīng)用中比較普遍，因?yàn)檫B接后，被控制對象的溫度變化趨勢與顯示儀表是一致的。加之目前熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線產(chǎn)品很多標(biāo)注不規(guī)范，難以辨認(rèn)；有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標(biāo)錯(cuò)。下面分析由于這種情況所產(chǎn)生的誤差。
如果正確連接，儀表所接收的總熱電勢為
EZ=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）=EK（T1，T3）+EK（T3，T2）
=EK（T1，T2）（6）
因?yàn)檫B接的錯(cuò)誤，根據(jù)中間導(dǎo)體定律，儀表所接收的總熱電勢為
E′Z=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）（7）
對于KX延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線，有
E′KX（T3，T2）=-EKX（T3，T2）=-EK（T3，T2）（8）
計(jì)算，儀表測量值由此產(chǎn)生誤差為
EZ′-EZ=EK（T1，T3）-EK（T3，T2）-EK（T1，T3）-EK（T3，T2）
=2EK（T3，T2）（9）
一般工業(yè)爐附近的溫度，至少比控制間的溫度高8℃。那么由此產(chǎn)生誤差正好是補(bǔ)償導(dǎo)線補(bǔ)償值的2倍。對于K型偶，微分電勢值基本在40℃/（μV）左右，測量溫度大約比實(shí)際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃，實(shí)際溫度應(yīng)該在616℃左右。
從上面的分析可以看出，當(dāng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線正負(fù)極接反，不僅沒有起到補(bǔ)償作用，誤差比不接補(bǔ)償導(dǎo)線還增加一倍，因此補(bǔ)償導(dǎo)線在連接時(shí)一定要注意極性。
如果不能確定熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線極性時(shí)，可以取一段補(bǔ)償導(dǎo)線，將一端絕緣去掉后擰在一起，放在熱水杯中，用普通萬用表直流電壓量程***低檔測量另一端的2根線，萬用表上會(huì)顯示測量電壓的正負(fù)，信號(hào)的正極為補(bǔ)償導(dǎo)線的正極。
2. 使用的補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)不對
同種補(bǔ)償導(dǎo)線配同種熱電偶，如果所選的補(bǔ)償導(dǎo)線種類不對，一樣產(chǎn)生誤差。假設(shè)使用S型熱電偶，選擇了K型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線KX，
根據(jù)中間導(dǎo)體定律，儀表所接收的總熱電勢為
E′Z（T1，T2）=ES（T1，T3）+EKX（T3，T2）（10）
如果正確使用S型偶補(bǔ)償導(dǎo)線SC，不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線自身誤差，儀表測量的總電勢為EZ（T1，T2）=ES（T1，T3）=ES（T3，T2）（11）
由于選錯(cuò)了補(bǔ)償導(dǎo)線儀表測量值由此產(chǎn)生誤差為式(10)-式(11)
EZ′-EZ=EK（T3，T2）-ES（T3，T2）-EK（T3，T2）-ES（T3，T2）（12）
如果S型熱電偶工作溫度為900℃，控制間環(huán)境溫度為25℃，仍按照T3-T2=8℃，分別查S偶和K偶分度表，得出電勢差為
EK（T3，T2）-ES（T3，T2）=0.278mV
儀表測量溫度比實(shí)際溫度高。如果儀表控制在900℃時(shí)，實(shí)際值只有875.1℃，誤差24.9℃。
如果上述情況又將極性接反，儀表測量值偏高，儀表顯示900℃時(shí)，實(shí)際溫度為933.2℃，誤差33.2℃。
四、 補(bǔ)償導(dǎo)線使用中注意事項(xiàng)
1. 補(bǔ)償導(dǎo)線的選擇
補(bǔ)償導(dǎo)線一定要根據(jù)所使用的熱電偶種類和所使用的場合進(jìn)行正確選擇。例如，K型偶應(yīng)該選擇K型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，根據(jù)使用場合，選擇工作溫度范圍。通常KX工作溫度為-20～100℃，寬范圍的為-25～200℃。普通級(jí)誤差為±2.5℃，精密級(jí)為±1.5℃。
2. 接點(diǎn)連接
與熱電偶接線端2個(gè)接點(diǎn)盡可能近一點(diǎn)，盡量保持2個(gè)接點(diǎn)溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度一致，儀表柜有風(fēng)扇的地方，接點(diǎn)處要保護(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。
3. 使用長度
因?yàn)闊犭娕嫉男盘?hào)很低，為微伏級(jí)，如果使用的距離過長，信號(hào)的衰減和環(huán)境中強(qiáng)電的干擾偶合，足可以使熱電偶的信號(hào)失真，造成測量和控制溫度不準(zhǔn)確，在控制中嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度波動(dòng)。
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，通常使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的長度控制在15米內(nèi)比較好，如果超過15米，建議使用溫度變送器進(jìn)行傳送信號(hào)。溫度變送器是將溫度對應(yīng)的電勢值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送，抗干擾強(qiáng)。
4. 布線
補(bǔ)償導(dǎo)線布線一定要遠(yuǎn)離動(dòng)力線和干擾源。在避免不了穿越的地方，也盡可能采用交叉方式，不要平行。
5. 屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線
為了提高熱電偶連接線的抗干擾性，可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線。對于現(xiàn)場干擾源較多的場合，效果較好。但是一定要將屏蔽層嚴(yán)格接地，否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用，反而增強(qiáng)干擾。
