热电偶是目前工业温度测量领域最广泛的温度传感器之一, 正确地使用热电偶可以提高生产效率, 减少由于使用不当带来的经济损失。正确地使用热电偶的关键是热电偶补偿导线的正确使用。2010年单位购置一套ZRJ型智能化热工仪表检定系统。该装置具有采集与处理自动完成、控温精度高、检定效率高等优点。但是在对一大批廉金属热电偶进行周期检定时, 按常规的接线方法检定, 结果发现同一型号的热电偶短型热电偶比长型热电偶合格率低。针对这一问题, 对热电偶的接线方法进行了分析并加以改进。

热电偶补偿导线是在一定温度范围内 (包括常温) , 其热电性能与之匹配的热电偶热电性能非常相近的导线, 由绝缘层、护套、屏蔽层组成, 用来连接热电偶与测量装置, 以补偿它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差。热电偶往往是由比较贵重的材料制成, 而热电偶测温回路的总电势不受中间温度变化的影响, 补偿导线就是用来代替贵重材料的, 将需要测温的热电偶与测温仪器相连, 对原参比端温度进行补偿。使用补偿导线, 不但不影响测量结果, 还方便操作, 更节约了测量成本, 经济效益非常明显。

热电偶已经成为温度测量领域中应用较广泛的感温元件之一, 它具有结构简单、测温范围广、性能稳定、热惯性小、动态响应速度快、信号能够远传、多点测量和价廉等优点。其工作原理如下:由两种不同金属或合金组成如图1所示的闭合回路, 是最简单的热电偶回路, 这两种不同金属或合金的组合就称为热电偶。

实际测温中的热电偶回路如图2所示。A、B称为热电极。它们的一端通常焊接在一起形成接点1, 称为测量端 (工作端或热端) 。而另一端接点2称为参考端 (自由端或冷端) 。测温时, 将热电偶的测量装置置于被测温场中, 其参考端恒定在某一温度下 (通常0℃) , 然后通过连接导线与测量仪表相连。由于热电偶两端所处的温度不同, 在回路中产生热电势, 用测量仪表测得电动势的数值后, 便可以知道相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。

二等标准热电偶证书值及热电偶分度表都是在参考端为0℃时给出的, 故检定时参考端温度未处于0℃, 必须进行参考端温度修正。根据热电偶温差测温工作原理可得修正公式为

式中:E—热电偶的热电动势;

t—热电偶的测量端温度;

t0—热电偶的参考端温度0℃;

t1—检定热电偶的参考端所处的温度。

从该式可以得知, 热电偶的热电动势与热电偶测量端和参考端的温度有关。热电偶测量端处于炉中心的同一平面内, 微机采集的温度t就是电偶本身测量端的温度, 它不受电偶长短的影响。而参考端温度t1则不一样, 短型热电偶装入管式炉后, 其参考端距离炉口较近, 即使用高铝棉封口, 炉内仍有热量散出, 通过对流方式使参考端温度升高。另外由于短型热电偶长度短, 热量通过偶丝传导也加剧了参考端的温升。在实际检定过程中, 热电偶参考端温度一般在 (40~80) ℃, 修正项E (t1, t0) 应为电偶在此温度下的热电动势值。然而现有的检定装置进行参考端温度修正时, 采用数字式集成温度传感器为测温元件, 以参考端周围空气温度 (即稳定室温) 进行修正, 微机处理时仍将室温下的修正值E (t1, t0) 带入公式进行计算。因为温度有偏差, 导致E' (t1, t0)1, t0) 。即代入公式进行运算的修正值小于实际值。所以修正后热电势值E' (t1, t0)1, t0) 。而长型热电偶的参考端离检定炉口较远, 稳定室温与参考端实际温度相同, 这样修正后热电动势值就是真值, 即:

对于短型热电偶在检定过程中, 在其参考端接上相应型号的补偿导线, 见图3。

这种补偿导线由两根不同材质的廉价金属丝组成, 且在较低的一定温度范围内 (0~100) ℃和所连接的热电偶具有相同的热电性能。用它来做短型热电偶的延长导线, 就意味着将热电偶进行了廉价的加长处理, 又不影响热电偶输出的热电动势值。经过上述加接补偿导线的短热电偶与长热电偶检定后的数据一样真实可靠。

采用一只二等标准热电偶, 在现有的ZRJ型智能化热工仪表检定装置进行一批热电偶的周期检定, 被检K型热电偶在使用和不使用补偿导线的检测数据见表1、表2。

从表1、表2可看出:未使用补偿导线的情况下, 长热电偶比短热电偶示值结果误差小, 长热电偶比短热电偶合格率高。使用补偿导线的情况下, 长热电偶的示值误差基本不变, 而短热电偶的示值误差有较大变化, 致使原来不合格的热电偶变成合格了, 提高了检定合格率。从试验结果分析, 长热电偶在检定过程中不用接补偿导线, 短热电偶必须在检定时加接补偿导线。另外表1、表2的数据显示, 对短热电偶所采集的热电动势值经修正处理后全部低于实际值, 经微机处理的结果是负误差, 这与理论分析得出的E' (t, t0)0) 完全吻合。在短热电偶的检定过程中, 参考端加接相应的补偿导线, 在其与热电偶冷端接点处的温度不超出 (0~100) ℃范围, 完全可以看作将原热电偶加长, 补偿导线末端成为新的参考端, 距检定炉口和工作端均较远, 有效的防止了参考端温升产生的检定误差。在这种情况下, 由现有检定装置的参考端温度测量方式进行补偿是可行、有效的。

短型热电偶在检定过程中和实际使用时应加接一定长度的补偿导线, 减少测量误差, 获得准确的温度参数, 进行科学的温度控制。使用补偿导线检定需注意的问题:

(1) 须选用经检定允差为 (100±0.2) ℃的延长型补偿导线;

(2) 参考接点温度不得超过100℃;

(3) 待检热电偶热电偶长度不小于350mm, 热电偶加补偿导线的总长度不小于750mm;

(4) 各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用;

(5) 使用的补偿导线必须是检定合格, 只限于检定Ⅱ级允差热电偶;

(6) 补偿导线与热电偶的正负极务必连接正确。

(7) 避免室内温度波动对参考端的温度值采集产生影响。