帶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)熱電偶測(cè)溫誤差分析與修正
發(fā)布時(shí)間:2022-04-21
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[摘要]文章根據(jù)
帶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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?chē)h(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)后,其熱電勢(shì)僅與測(cè)量端溫度和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn),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(xiàn)的這些特性,目前在工業(yè)應(yīng)用中,帶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)測(cè)溫原理
熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn),根據(jù)熱電偶連接導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)連接點(diǎn)的溫度;t0為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的測(cè)溫原理,公式說(shuō)明,使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)測(cè)溫和使用熱電偶和別的金屬材料作補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)的熱電勢(shì)之差,這個(gè)差值便是使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)引人的測(cè)量誤差與偶絲和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)測(cè)量某-介質(zhì)溫度,已知熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)測(cè)溫,熱電偶和補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn),也可根據(jù)本文提示的方法進(jìn)行誤差修正。