帶補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶測(cè)溫誤差分析與修正

[摘要]文章根據(jù)帶補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶的測(cè)溫原理，對(duì)測(cè)量誤差進(jìn)行了分析,給出了配用補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶的測(cè)溫誤差修正方法,。
　　熱電偶是通過(guò)測(cè)量電勢(shì)來(lái)測(cè)量溫度的一種感溫元件,它能將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電勢(shì)值,，再由顯示儀表顯示出來(lái)。熱電偶是基于熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量的,，焊接的一端叫測(cè)量端,，未焊接的一端叫參考端,。如果參考端溫度恒定，其熱電勢(shì)的大小只與組成熱電偶的兩種金屬材料的特性和測(cè)量端的溫度有關(guān),，而與偶絲的粗細(xì),、長(zhǎng)度無(wú)關(guān),。因此要測(cè)溫,，必須使參考端的溫度固定，一般固定在0℃,如果使用時(shí)參考端溫度不是0℃,則必須對(duì)參考端的溫度進(jìn)行修正,。
　　由熱電偶的測(cè)溫原理可知,，只有當(dāng)熱電偶的參考端溫度保持不變時(shí)，其熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù),。但在實(shí)際應(yīng)用中,，由于熱電偶的參考端和測(cè)量端經(jīng)常離的很近，而且參考端又暴露在空氣中,，容易受到周圍環(huán)境溫度的影響,，使參考端溫度難以保持恒定。為了消除因參考端溫度波動(dòng)所引起的測(cè)量誤差,，可將熱電偶做的很長(zhǎng),，使其參考端遠(yuǎn)離測(cè)量端。但這樣一來(lái)會(huì)造成熱電極材料的浪費(fèi),，特別是對(duì)于由貴金屬組成的熱電極材料這樣做很不經(jīng)濟(jì),。補(bǔ)償導(dǎo)線就是為解決這個(gè)問(wèn)題而產(chǎn)生的，它的特點(diǎn)是在參考端溫度可能變化的范圍內(nèi)(0℃~100℃或200℃),補(bǔ)償導(dǎo)線與相連接的熱電偶具有相同的熱電特性,熱電偶回路加入相應(yīng)型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線后,，其熱電勢(shì)僅與測(cè)量端溫度和補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表連接處溫度有關(guān),，而與熱電偶本身參考端的溫度變化無(wú)關(guān)，就好像把熱電偶延長(zhǎng)了一樣,，所以在測(cè)溫中,，使用熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線，可以將熱電偶參考端延伸到遠(yuǎn)離熱源和環(huán)境溫度較穩(wěn)定的地方,，以便于對(duì)參考端溫度進(jìn)行修正,，減少因參考端溫度過(guò)高和波動(dòng)引起的測(cè)量誤差，達(dá)到正確測(cè)溫的目的,。
　　由于補(bǔ)償導(dǎo)線的這些特性,，目前在工業(yè)應(yīng)用中,，帶補(bǔ)償導(dǎo)線熱電偶進(jìn)行測(cè)溫非常普遍，有關(guān)使用手冊(cè)中規(guī)定補(bǔ)償導(dǎo)線的使用溫度范圍為0℃~100℃或者0℃~150℃,。因而,，人們經(jīng)常會(huì)誤認(rèn)為只要補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的連接處溫度在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，測(cè)溫就是正確的,。而實(shí)際并非如此,，連接點(diǎn)的溫度高低直接影響著溫度測(cè)量誤差的大小。本文就此根據(jù)熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫原理,，分析其測(cè)量誤差,，提出誤差的修正方法，并闡述使用中的問(wèn)題和應(yīng)該注意的事項(xiàng),。
1熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫原理
　　熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的連接方式如圖1,。
 
　　圖1中A、B為兩種不同材料的熱電偶絲,，A1,、B1為相應(yīng)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，根據(jù)熱電偶連接導(dǎo)線定律,，其回路總的熱電勢(shì)為:
 
　　式中:t1為偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)的溫度;t0為補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表連接處溫度;t為測(cè)量端溫度,。
　　在保持熱電偶及其補(bǔ)償導(dǎo)線的物理化學(xué)熱穩(wěn)定性的前提下，當(dāng)溫度在0℃~100℃的前提下,，下式近似成立:
 
(3)式就是熱電偶使用補(bǔ)償導(dǎo)線的測(cè)溫原理,，公式說(shuō)明，使用補(bǔ)償導(dǎo)線后,相當(dāng)于把熱電偶的參考端溫度從t1移到溫度t0處,，但此種情況成立的前提條件是
(2)式成立,，既然(2)式是近似公式，那么測(cè)量中就會(huì)引人誤差,。
2熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫誤差分析
　　對(duì)于同一介質(zhì)溫度,使用熱電偶和同一偶絲材料作延長(zhǎng)線測(cè)溫和使用熱電偶和別的金屬材料作補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫這兩種測(cè)溫方法分別如圖2和圖3,。
 
　　(6)式說(shuō)明兩種測(cè)溫體系存在差值，兩種測(cè)溫體系測(cè)得的熱電勢(shì)差值為在溫差t1-t0熱電偶偶絲與補(bǔ)償導(dǎo)線的熱電勢(shì)之差,，這個(gè)差值便是使用補(bǔ)償導(dǎo)線后引入的誤差?！鱁是1和t0的函數(shù),，在t0不變時(shí)，△E只與t1有關(guān),。也就是說(shuō),，使用補(bǔ)償導(dǎo)線引人的測(cè)量誤差與偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)處的溫度有關(guān)，知道了熱電偶材料,、補(bǔ)償導(dǎo)線材料和連接點(diǎn)處溫度之后,，這個(gè)測(cè)量誤差是可以修正的,。
　　表1是鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線銅一康銅在t0=0℃,t1=0℃~200℃時(shí)的熱電偶及它們之間的差值。
 
　　從表1中可以清楚看出,，在連接點(diǎn)溫度為0℃~40℃范圍時(shí),，鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶和銅-康銅補(bǔ)償導(dǎo)線的電勢(shì)幾乎相同，它們的差值對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很小,，隨著連接點(diǎn)溫度的升高,，差值逐漸增大，使用補(bǔ)償導(dǎo)線帶來(lái)的誤差也越來(lái)越大,，必須加以修正,。
3熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)量溫度時(shí)的誤差修正
　　由前面分析可知，測(cè)量誤差引入的根本原因是由于熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線在去一切下的熱電勢(shì)不同造成的,，即△E≠0是產(chǎn)生誤差的根本原因,。但在進(jìn)行測(cè)溫誤差修正時(shí)不能簡(jiǎn)單地把△E的mV值轉(zhuǎn)化為溫度，原因是熱電偶的mV~℃關(guān)系不是線性的,，應(yīng)按下面方法進(jìn)行修正,。
(1)先得出連接點(diǎn)q的溫度值;
(2)根據(jù)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的材料，在其相應(yīng)的分度表中查出該材料在h溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)值EA1B1(t1,t0);
(3)根據(jù)熱電偶的分度號(hào)在其對(duì)應(yīng)的分度表中查出該熱電偶材料在t1溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)值EAB(t1,，t0);
(4)計(jì)算EAB(t1,，t0)和EA1B1(t1，t0)的差值;
(5)記錄儀表指示溫度t,根據(jù)熱電偶分度表查出E2的值;
(6)將第(4),、(5)步求出的值帶人公式(6),求得E1的值;
(7)按E1重新查熱電偶分度表即得到真實(shí)溫度t,。
應(yīng)用舉例:
　　用鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶，配銅-康銅補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)量某-介質(zhì)溫度,，已知熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)處溫度t1=80℃,儀表顯示值為200℃,，參考端溫度t0=0℃，求介質(zhì)的實(shí)際溫度,。
　　分別查熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線分度表可知,，在80C時(shí)，熱電偶對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EAB(t1,，t0)=EAB(80,0)=3.267mV;補(bǔ)償導(dǎo)線對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)EA1B1(t1,，t0)=EA1B1(80,0)=3.358mV。
所以△E=EAB(t1,，t0)-EA1B1(t1,，t0)=(3.267-3.358)mV=-0.091mV。
　　由儀表顯示值為200℃,查熱電偶分度表可得熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)的電勢(shì)值E2=8.138mV,由公式(4),、(5),、(6)可得熱電偶測(cè)溫時(shí)的介質(zhì)的實(shí)際溫度為:
E1-E2=EAB(t1，t0)-EA1B1(t1,，t0)=△E
E1=△E+E2=(-0.091+8.138)mV=8.047mV
　　查熱電偶分度表可得實(shí)際溫度t=197.79C,，即介質(zhì)的測(cè)量溫度與真實(shí)溫度存在著2.3C的誤差,。經(jīng)驗(yàn)表明，使用鎳鉻-鎳硅(鋁)熱電偶配用銅-康銅補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫,熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線連接點(diǎn)的溫度在0℃~50℃之間比較合適,，連接點(diǎn)溫度過(guò)高或者過(guò)低,，都應(yīng)該進(jìn)行誤差修正，以免由于測(cè)溫誤差過(guò)大帶來(lái)不良后果,。
　　對(duì)于其他分度號(hào)的熱電偶配用補(bǔ)償導(dǎo)線,，也可根據(jù)本文提示的方法進(jìn)行誤差修正。