補(bǔ)償導(dǎo)線工作原理及其應(yīng)用

一、概述

由熱電偶的測(cè)溫原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)與熱端（又稱測(cè)量端）、參比端（又稱冷端）的熱電勢(shì)有關(guān)，只有參比端溫度t1 為零或恒定不變，熱電勢(shì)才是熱端溫度的單值函數(shù)（見圖1）。如果不補(bǔ)償?shù)脑挘瑒t熱電偶的參比端溫度與儀表接線端溫度t2間的溫差t1-t2越大，測(cè)量誤差也越大。由于大多數(shù)熱電偶的熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線性，所以造成的測(cè)量誤差大致等于上述溫差。以K 分度號(hào)的鎳鉻-鎳硅熱電偶為例，當(dāng)t1=50℃，t2=20℃時(shí)，如熱端溫度為1000℃，則顯示溫度僅969℃，誤差達(dá)31℃。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，由于熱電偶參比端的接線盒通常暴露在大氣中，溫度變化較大，如不采取措施，接線盒內(nèi)溫度既不可能為零，也不可能保持某個(gè)溫度恒定不變，由此引起測(cè)量誤差。由于與熱電偶相連的二次儀表（如顯示器、記錄儀）、I/O插卡等均帶環(huán)境溫度補(bǔ)償，可對(duì)這些裝置與熱電偶的接線點(diǎn)（即儀表接線端）溫度t2進(jìn)行補(bǔ)償。由此可見，關(guān)鍵是如何對(duì)熱電偶的參比端溫度t1 進(jìn)行補(bǔ)償。目前有多種參比端補(bǔ)償方法，如恒溫法、補(bǔ)償電橋法、補(bǔ)償熱電偶法、補(bǔ)償導(dǎo)線法等，但常用的就是補(bǔ)償導(dǎo)線法。

本文首先敘述補(bǔ)償導(dǎo)線的原理和分類，然后介紹補(bǔ)償導(dǎo)線應(yīng)用中通常需要了解的幾個(gè)問題。

二、補(bǔ)償導(dǎo)線的工作原理及分類

1、補(bǔ)償導(dǎo)線的工作原理

在一定溫度范圍內(nèi)，熱電性能與熱電偶熱電性能很相近的導(dǎo)線稱為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線。

按熱電偶中間溫度定則，熱電偶測(cè)溫回路的總電勢(shì)值只與熱端和參比端的溫度有關(guān)，而不受中間溫度變化的影響，所以可用與熱電偶材料相匹配的補(bǔ)償導(dǎo)線來代替需要延伸的貴重?zé)犭娕疾牧希瑢⒈榷擞蔁犭娕冀泳€盒延伸到儀表接線端，由補(bǔ)償導(dǎo)線對(duì)原參比端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。

補(bǔ)償導(dǎo)線除了可減少測(cè)量誤差外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：可改善熱電偶測(cè)溫線路的物理性能和機(jī)械性能，如采用多股線芯或小直徑補(bǔ)償導(dǎo)線可提高線路的柔韌性，使連接方便，也易于屏蔽外界干擾；可降低測(cè)量線路成本。

2、補(bǔ)償導(dǎo)線的分類

從原理上分延長(zhǎng)型和補(bǔ)償型，延長(zhǎng)型其合金絲的名義化學(xué)成分與配用的熱電偶相同，因而熱電勢(shì)也相同，在型號(hào)中以"X"表示，補(bǔ)償型其合金絲名義化學(xué)成分與配用的熱電偶不同，但在其工作溫度范圍內(nèi)，熱電勢(shì)與所配用熱電偶的熱電勢(shì)標(biāo)稱值相近，在型號(hào)中以"C"表示。

從補(bǔ)償精度分普通級(jí)和精密級(jí)，精密級(jí)補(bǔ)償后的誤差大體上只有普通級(jí)的一半，通常用在測(cè)量精度要求較高的地方。如S、R分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，精密級(jí)的允差為±2.5℃,普通級(jí)的允差為±5.0℃;K 、N分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線，精密級(jí)的允差為±1.5℃,普通級(jí)的允差為±2.5℃。在型號(hào)中普通級(jí)的不標(biāo)，精密級(jí)的加"S"表示。

從工作溫度分一般用和耐熱用，一般用工作溫度為0 ~ 100℃（少數(shù)為0 ~ 70℃）;耐熱用工作溫度為0 ~ 200℃。

此外，可以線芯多少分為單股和多芯（軟線）補(bǔ)償導(dǎo)線，以是否帶屏蔽層分為普通型和屏蔽型補(bǔ)償導(dǎo)線，還有于防爆場(chǎng)合的本質(zhì)安全電路用的補(bǔ)償導(dǎo)線。

三、應(yīng)用中的幾個(gè)問題

1、補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的匹配

各種分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線只能與相同分度號(hào)的熱電偶配用，否則可能欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償，常用熱電偶在100℃和200℃時(shí)需補(bǔ)償?shù)臒犭妱?shì)值見表1：

表1 常用熱電偶在100℃和200℃時(shí)的熱電勢(shì)值

當(dāng)我們用K分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線配用N分度號(hào)的熱電偶，將造成過補(bǔ)償，顯示溫度偏高；反之，用N分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線配用K分度號(hào)的熱電偶，將造成欠補(bǔ)償，顯示溫度偏低。

熱電偶用補(bǔ)償導(dǎo)線和補(bǔ)償電纜（GB/T4990-1995標(biāo)準(zhǔn)）表一

產(chǎn)品代號(hào)，合金絲種類，合金絲代號(hào)、品種及規(guī)格

1、 正、負(fù)級(jí)配對(duì)時(shí)的熱電動(dòng)勢(shì)及允差范圍

2、 正極對(duì)銅和銅對(duì)負(fù)極的熱電動(dòng)勢(shì)及允差范圍，當(dāng)參考端溫度為0度正極對(duì)銅和銅對(duì)負(fù)極在各主要溫度點(diǎn)產(chǎn)
生的熱電動(dòng)勢(shì)允差符合下表：

導(dǎo)線，和EPX鎳鉻90組成EX補(bǔ)償導(dǎo)線,鎳鉻90為正極，銅鎳44為負(fù)極。

2、補(bǔ)償導(dǎo)線分度號(hào)和極性的判斷

有時(shí)可根據(jù)資料所列補(bǔ)償導(dǎo)線的材料、絕緣層及護(hù)套顏色判斷，但由于國(guó)內(nèi)新舊標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定有差異，用這個(gè)方法對(duì)補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號(hào)和極性常常難以準(zhǔn)確判斷。

可靠常用的方法是測(cè)試法，就是將補(bǔ)償導(dǎo)線的兩端剝?nèi)ソ^緣層，把兩根導(dǎo)線絞合在一起制成熱電偶的熱端，放到沸騰的水中，兩根導(dǎo)線的另一端與直流電位差計(jì)相連（不應(yīng)該與動(dòng)圈式直讀mV 表相連，因測(cè)量時(shí)取電流其讀數(shù)偏低），將測(cè)得的熱電勢(shì)與表1比較，與之接近的即為補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號(hào)，根據(jù)電位差計(jì)的正負(fù)極可確定補(bǔ)償導(dǎo)線的極性。由于測(cè)試時(shí)由補(bǔ)償導(dǎo)線構(gòu)成的熱電偶的參比端溫度不一定是0℃，例如是20℃，則所測(cè)熱電勢(shì)低于參比端為0℃的熱電勢(shì)值。以某種不明分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線為例，如參比端溫度約20℃，測(cè)量值如在3.928±0.150mV范圍內(nèi)，則可判斷這種補(bǔ)償導(dǎo)線的分度號(hào)是K。3.928是K分度號(hào)熱電偶100℃和20℃時(shí)熱電勢(shì)的差值，0.150是K分度號(hào)普通級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線的允差。

3、補(bǔ)償導(dǎo)線儀表盤接線點(diǎn)的位置

我們知道，補(bǔ)償導(dǎo)線只是把熱電偶的參比端延長(zhǎng)，起到移動(dòng)參比端位置的作用，延伸后的參比端溫度應(yīng)當(dāng)恒定或配用本身具有參比端溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)难b置，否則仍可能因新的參比端溫度變化引起測(cè)量誤差。

比如在儀表盤內(nèi)接線時(shí)，由于常用盤裝顯示器、記錄儀本身因通電而發(fā)熱，使其接線端子處的溫度高于儀表盤接線端子處的溫度。當(dāng)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線引進(jìn)儀表盤后，如果將其接到儀表盤的接線端子上，而儀表盤的接線端子與儀表接線端子間用銅線連接，則因上述溫差存在將造成測(cè)量誤差。所以將補(bǔ)償導(dǎo)線跨過儀表盤的接線端子直接與儀表的接線端子相連。

4、補(bǔ)償導(dǎo)線的線路電阻

對(duì)早期配熱電偶的動(dòng)圈式儀表來說，有5Ω、15Ω兩種線路電阻的要求，當(dāng)熱電偶安裝地點(diǎn)離動(dòng)圈表較遠(yuǎn)時(shí)，或采用分度號(hào)K、N、E、J、T等包含有銅鎳材料的補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，其線路電阻較大，選用時(shí)要注意選較大截面的補(bǔ)償導(dǎo)線。比如選用外接15 Ω線路電阻 E分度號(hào)的動(dòng)圈式儀表時(shí)，其配用的補(bǔ)償導(dǎo)線截面為1.0 mm2、2.5 mm2 ，而對(duì)應(yīng)的單位長(zhǎng)度線路電阻分別為 1.25Ω/m和 0.5Ω/m， 則補(bǔ)償導(dǎo)線的大允許長(zhǎng)度僅為 12 m和 30 m。設(shè)計(jì)時(shí)如不留心，這個(gè)長(zhǎng)度很容易超過，造成測(cè)量誤差。

5、R、S分度號(hào)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線

同稱為鉑銠-鉑的熱電偶有R、S兩種分度號(hào)，分別代表鉑銠13-鉑和鉑銠10-鉑熱電偶，前者在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少， 但其熱電勢(shì)較大（1600℃時(shí)R、S分度熱電偶的熱電勢(shì)分別為18.849mV和16.777 mV），而在低溫段 100℃ 時(shí)兩者基本一致（R、S 分度號(hào)的熱電勢(shì)分別為 0.647 mV和0.646 mV），200 ℃時(shí)稍有差別（R、S 分度號(hào)的熱電勢(shì)分別為 1.467 mV和1.441mV），所以目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上R、S分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線是通用的。如將市場(chǎng)上通常采購(gòu)得到的S分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線用于R分度號(hào)的熱電偶，在100℃以下*，即使到了耐熱用補(bǔ)償導(dǎo)線的極限溫度200℃，當(dāng)熱電偶的熱端溫度分別為600℃、1000℃、1300℃時(shí)，所引起的誤差僅為 2.5℃、2.2℃、2.0℃。

這一點(diǎn)可作為1節(jié)的一個(gè)特例。

在常用熱電偶當(dāng)中，R、S 分度號(hào)補(bǔ)償導(dǎo)線的精度是低的，但從溫度使用范圍來看，0～60℃范圍內(nèi)誤差很小，100～150℃誤差就比較大了。當(dāng)測(cè)量誤差要求高時(shí)，必須將參比端的溫度保持在100 ℃以下。

6、補(bǔ)償型與延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線的比較

K 分度號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線有補(bǔ)償型KC補(bǔ)償導(dǎo)線與延伸型KX補(bǔ)償導(dǎo)線，以下性能對(duì)照表2可以供實(shí)際選用時(shí)參考。

表2 K分度號(hào)補(bǔ)償型與延伸型補(bǔ)償導(dǎo)線的性能比較

7、雙鉑銠熱電偶不用補(bǔ)償導(dǎo)線

前面講了這么多，都是說要用補(bǔ)償導(dǎo)線去補(bǔ)償熱電偶參比端溫度，但在常用熱電偶中，分度號(hào)B的雙鉑銠（鉑銠30-鉑銠6）熱電偶是一個(gè)例外，它沒有的補(bǔ)償導(dǎo)線，或者換一句話說，在實(shí)際應(yīng)用中，它一般沒有必要使用補(bǔ)償導(dǎo)線。

雙鉑銠熱電偶常用于1300~1600 ℃溫度段的測(cè)溫（≤1300℃ 通常采用鉑銠-鉑熱電偶），其低溫段的熱電勢(shì)出奇地低，如100℃時(shí)的熱電勢(shì)僅 0.033mV， 200℃時(shí)的熱電勢(shì)為0.178mV，與整個(gè)測(cè)溫范圍內(nèi)（0~1800 ℃）每100℃的平均熱電勢(shì)為0 .700mV 比較,相差懸殊，所以即使不補(bǔ)償，造成的誤差也很小。例如當(dāng)熱端溫度為1300℃和1600℃時(shí)，如參比端溫度t1=100℃ 時(shí)，造成的誤差為±3.0℃，如t1=120℃ 時(shí)，造成的誤差為±5，.0℃ ，均達(dá)到使用普通級(jí)補(bǔ)償導(dǎo)線 ±5℃的要求。但值得注意的是，如t1=200℃ 時(shí)，則可能造成±16.3℃的誤差，因此對(duì)雙鉑銠熱電偶來說，雖然在通常情況下可不使用補(bǔ)償導(dǎo)線，但限制條件是參比端溫度t1≤120℃，否則將造成較大的誤差。

在不常用的熱電偶中，鎳鈷-鎳鋁熱電偶200℃以下熱電勢(shì)幾乎為零，可不用補(bǔ)償導(dǎo)線，而鎳鐵-鎳銅熱電偶在50℃以下的熱電勢(shì)微乎其微，在這個(gè)溫度范圍內(nèi)也不用補(bǔ)償導(dǎo)線。