带补偿导线热电偶测温误差分析与修正

[摘要]文章根据带补偿导线热电偶的测温原理，对测量误差进行了分析,给出了配用补偿导线热电偶的测温误差修正方法。
　　热电偶是通过测量电势来测量温度的一种感温元件,它能将温度信号转化为相应的电势值，再由显示仪表显示出来。热电偶是基于热电效应进行温度测量的，焊接的一端叫测量端，未焊接的一端叫参考端。如果参考端温度恒定，其热电势的大小只与组成热电偶的两种金属材料的特性和测量端的温度有关，而与偶丝的粗细、长度无关。因此要测温，必须使参考端的温度固定，一般固定在0℃,如果使用时参考端温度不是0℃,则必须对参考端的温度进行修正。
　　由热电偶的测温原理可知，只有当热电偶的参考端温度保持不变时，其热电势才是被测温度的单值函数。但在实际应用中，由于热电偶的参考端和测量端经常离的很近，而且参考端又暴露在空气中，容易受到周围环境温度的影响，使参考端温度难以保持恒定。为了消除因参考端温度波动所引起的测量误差，可将热电偶做的很长，使其参考端远离测量端。但这样一来会造成热电极材料的浪费，特别是对于由贵金属组成的热电极材料这样做很不经济。补偿导线就是为解决这个问题而产生的，它的特点是在参考端温度可能变化的范围内(0℃~100℃或200℃),补偿导线与相连接的热电偶具有相同的热电特性,热电偶回路加入相应型号的补偿导线后，其热电势仅与测量端温度和补偿导线与仪表连接处温度有关，而与热电偶本身参考端的温度变化无关，就好像把热电偶延长了一样，所以在测温中，使用热电偶用补偿导线，可以将热电偶参考端延伸到远离热源和环境温度较稳定的地方，以便于对参考端温度进行修正，减少因参考端温度过高和波动引起的测量误差，达到正确测温的目的。
　　由于补偿导线的这些特性，目前在工业应用中，带补偿导线热电偶进行测温非常普遍，有关使用手册中规定补偿导线的使用温度范围为0℃~100℃或者0℃~150℃。因而，人们经常会误认为只要补偿导线与热电偶的连接处温度在规定温度范围内，测温就是正确的。而实际并非如此，连接点的温度高低直接影响着温度测量误差的大小。本文就此根据热电偶配用补偿导线测温原理，分析其测量误差，提出误差的修正方法，并阐述使用中的问题和应该注意的事项。
1热电偶配用补偿导线测温原理
　　热电偶与补偿导线的连接方式如图1。
 
　　图1中A、B为两种不同材料的热电偶丝，A1、B1为相应热电偶的补偿导线，根据热电偶连接导线定律，其回路总的热电势为:
 
　　式中:t1为偶丝和补偿导线连接点的温度;t0为补偿导线与仪表连接处温度;t为测量端温度。
　　在保持热电偶及其补偿导线的物理化学热稳定性的前提下，当温度在0℃~100℃的前提下，下式近似成立:
 
(3)式就是热电偶使用补偿导线的测温原理，公式说明，使用补偿导线后,相当于把热电偶的参考端温度从t1移到温度t0处，但此种情况成立的前提条件是
(2)式成立，既然(2)式是近似公式，那么测量中就会引人误差。
2热电偶配用补偿导线测温误差分析
　　对于同一介质温度,使用热电偶和同一偶丝材料作延长线测温和使用热电偶和别的金属材料作补偿导线测温这两种测温方法分别如图2和图3。
 
　　(6)式说明两种测温体系存在差值，两种测温体系测得的热电势差值为在温差t1-t0热电偶偶丝与补偿导线的热电势之差，这个差值便是使用补偿导线后引入的误差。△E是1和t0的函数，在t0不变时，△E只与t1有关。也就是说，使用补偿导线引人的测量误差与偶丝和补偿导线连接点处的温度有关，知道了热电偶材料、补偿导线材料和连接点处温度之后，这个测量误差是可以修正的。
　　表1是镍铬-镍硅(铝)热电偶和补偿导线铜一康铜在t0=0℃,t1=0℃~200℃时的热电偶及它们之间的差值。
 
　　从表1中可以清楚看出，在连接点温度为0℃~40℃范围时，镍铬-镍硅(铝)热电偶和铜-康铜补偿导线的电势几乎相同，它们的差值对测量结果影响很小，随着连接点温度的升高，差值逐渐增大，使用补偿导线带来的误差也越来越大，必须加以修正。
3热电偶配用补偿导线测量温度时的误差修正
　　由前面分析可知，测量误差引入的根本原因是由于热电偶和补偿导线在去一切下的热电势不同造成的，即△E≠0是产生误差的根本原因。但在进行测温误差修正时不能简单地把△E的mV值转化为温度，原因是热电偶的mV~℃关系不是线性的，应按下面方法进行修正。
(1)先得出连接点q的温度值;
(2)根据热电偶补偿导线的材料，在其相应的分度表中查出该材料在h温度点所对应的热电势值EA1B1(t1,t0);
(3)根据热电偶的分度号在其对应的分度表中查出该热电偶材料在t1温度点所对应的热电势值EAB(t1，t0);
(4)计算EAB(t1，t0)和EA1B1(t1，t0)的差值;
(5)记录仪表指示温度t,根据热电偶分度表查出E2的值;
(6)将第(4)、(5)步求出的值带人公式(6),求得E1的值;
(7)按E1重新查热电偶分度表即得到真实温度t。
应用举例:
　　用镍铬-镍硅(铝)热电偶，配铜-康铜补偿导线测量某-介质温度，已知热电偶和补偿导线连接点处温度t1=80℃,仪表显示值为200℃，参考端温度t0=0℃，求介质的实际温度。
　　分别查热电偶和补偿导线分度表可知，在80C时，热电偶对应的热电势EAB(t1，t0)=EAB(80,0)=3.267mV;补偿导线对应的热电势EA1B1(t1，t0)=EA1B1(80,0)=3.358mV。
所以△E=EAB(t1，t0)-EA1B1(t1，t0)=(3.267-3.358)mV=-0.091mV。
　　由仪表显示值为200℃,查热电偶分度表可得热电偶配用补偿导线时的电势值E2=8.138mV,由公式(4)、(5)、(6)可得热电偶测温时的介质的实际温度为:
E1-E2=EAB(t1，t0)-EA1B1(t1，t0)=△E
E1=△E+E2=(-0.091+8.138)mV=8.047mV
　　查热电偶分度表可得实际温度t=197.79C，即介质的测量温度与真实温度存在着2.3C的误差。经验表明，使用镍铬-镍硅(铝)热电偶配用铜-康铜补偿导线测温,热电偶和补偿导线连接点的温度在0℃~50℃之间比较合适，连接点温度过高或者过低，都应该进行误差修正，以免由于测温误差过大带来不良后果。
　　对于其他分度号的热电偶配用补偿导线，也可根据本文提示的方法进行误差修正。