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一、概述
由熱電偶的測溫原理可知，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢與熱端（又稱測量端）、參比端（又稱冷端）的熱電勢有關(guān)，只有參比端溫度t1 為零或恒定不變，熱電勢才是熱端溫度的單值函數(shù)（見圖1）。如果不補償?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，測量誤差也越大。由于大多數(shù)熱電偶的熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性，所以造成的測量誤差大致等于上述溫差。以K 分度號的鎳鉻-鎳硅熱電偶為例，當t1=50℃，t2=20℃時，如熱端溫度為1000℃，則顯示溫度僅969℃，誤差達31℃。
實際應(yīng)用時，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，也不可能保持某個溫度恒定不變，由此引起測量誤差。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)境溫度補償，可對這些裝置與熱電偶的接線點（即儀表接線端）溫度t2進行補償。由此可見，關(guān)鍵是如何對熱電偶的參比端溫度t1 進行補償。目前有多種參比端補償方法，如恒溫法、補償電橋法、補償熱電偶法、補償導(dǎo)線法等，但常用的就是補償導(dǎo)線法。
本文首先敘述補償導(dǎo)線的原理和分類，然后介紹補償導(dǎo)線應(yīng)用中通常需要了解的幾個問題。
二、 從補償精度分普通級和精密級，精密級補償后的誤差大體上只有普通級的一半，通常用在測量精度要求較高的地方。如S、R分度號的補償導(dǎo)線，精密級的允差為±2.5℃,普通級的允差為±5.0℃;K 、N分度號的補償導(dǎo)線，精密級的允差為±1.5℃,普通級的允差為±2.5℃。在型號中普通級的不標，精密級的加"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）補償導(dǎo)線，以是否帶屏蔽層分為普通型和屏蔽型補償導(dǎo)線，還有于防爆場合的本質(zhì)安全電路用的補償導(dǎo)線。 三、應(yīng)用中的幾個問題 1、補償導(dǎo)線與熱電偶的匹配 各種分度號的補償導(dǎo)線只能與相同分度號的熱電偶配用，否則可能欠補償或過補償，常用熱電偶在100℃和200℃時需補償?shù)臒犭妱葜狄姳?： 表1 常用熱電偶在100℃和200℃時的熱電勢值 當我們用K分度號的補償導(dǎo)線配用N分度號的熱電偶，將造成過補償，顯示溫度偏高；反之，用N分度號的補償導(dǎo)線配用K分度號的熱電偶，將造成欠補償，顯示溫度偏低。 熱電偶用補償導(dǎo)線和補償電纜（GB/T4990-1995標準）表一 產(chǎn)品代號，合金絲種類，合金絲代號、品種及規(guī)格 補償導(dǎo)線型號 補償導(dǎo)線合金絲名稱 正級 負級 名稱 代號 名稱 代號 S SC 銅－銅鎳0.6 銅 SPC 銅鎳0.6 SNC R RC 銅－銅鎳0.6 銅 RPC 銅鎳0.6 RNC K KCA 鐵－銅鎳22 鐵 KPCA 銅鎳22 KNCA K KCB 銅－銅鎳40 銅 KPCB 銅鎳40 KNCB K KX 鎳鉻10－硅3 鎳鉻10 KPX 鎳硅3 KNX N NC 鐵－銅鎳18 鐵 NPC 銅鎳18 NNC N NX 鎳鉻14－鎳硅4 鎳鉻14 NPX 鎳硅4 NNX E EX 鎳鉻10－銅鎳45 鎳鉻10 EPX 銅鎳45 ENX J JX 鐵－銅鎳45 鐵 JPX 銅鎳45 JNX T TX 銅－銅鎳45 銅 TPX 銅鎳45 TNX WC3－WRC25 WC3/25 鎢錸3－鎢錸25 鎢錸3 WPC3/25 鎢錸25 WNC3/25 1、 正、負級配對時的熱電動勢及允差范圍 補償導(dǎo)線型號 測量溫度（℃） 熱電動勢標準值（uv） 精密級 普通級 允差（uv） 熱電動勢范圍（uv） 允差（uv） 勢電動勢范圍（uv） S或R SC或RC 100 645 ±30 615－675 ±60 585－705 K KX或KCA、KCB 100 4095 ±60 4035－4155 ±100 3995－4195 KX或 100 4095 ±60 4035－4155 ±100 3995－4195 N NX或NC 100 2774 ±60 2714-2834 ±100 2674-2874 E EX 100 6317 ±120 6197-6437 ±200 6117－6517 J JX 100 5268 ±85 5183-5353 ±140 5128-5408 T TX 100 4277 ±48 4229-4325 ±90 4187-4367 WC3/25 WC3/25 100 1145 ±50 1095-1195 ±80 1065-1225 2、 正極對銅和銅對負極的熱電動勢及允差范圍，當參考端溫度為0度正極對銅和銅對負極在各主要溫度點產(chǎn) 溫度 電動勢標準值（uv） 精密級 普通級 允差 熱電勢范圍（uv） 允差 熱電勢范圍（uv） KPX 100 2082 ±40 2042-2122 ±65 2017-2147 EPX 100 2040 ±50 1990-2090 ±80 1960-2120 NPX 100 1012 ±40 972-1052 ±65 947-1077 SNC/RNC 100 645 ±30 615-675 ±60 585-705 KNCB 100 4095 ±60 4035-4155 ±100 3995-4195 ENX 100 4277 ±70 4207-4347 ±120 4157-4397 JNX 100 4277 ±30 4247-4307 ±120 4217-4337 TNX 100 4277 ±48 4229-4325 ±90 4187-4367 KNX 100 2013 ±20 1993-2033 ±35 1978-2048 導(dǎo)線，和EPX鎳鉻90組成EX補償導(dǎo)線,鎳鉻90為正極，銅鎳44為負極。 2、補償導(dǎo)線分度號和極性的判斷 有時可根據(jù)資料所列補償導(dǎo)線的材料、絕緣層及護套顏色判斷，但由于國內(nèi)新舊標準、IEC標準的規(guī)定有差異，用這個方法對補償導(dǎo)線的分度號和極性常常難以準確判斷。 可靠常用的方法是測試法，就是將補償導(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相連（不應(yīng)該與動圈式直讀mV 表相連，因測量時取電流其讀數(shù)偏低），將測得的熱電勢與表1比較，與之接近的即為補償導(dǎo)線的分度號，根據(jù)電位差計的正負極可確定補償導(dǎo)線的極性。由于測試時由補償導(dǎo)線構(gòu)成的熱電偶的參比端溫度不一定是0℃，例如是20℃，則所測熱電勢低于參比端為0℃的熱電勢值。以某種不明分度號的補償導(dǎo)線為例，如參比端溫度約20℃，測量值如在3.928±0.150mV范圍內(nèi)，則可判斷這種補償導(dǎo)線的分度號是K。3.928是K分度號熱電偶100℃和20℃時熱電勢的差值，0.150是K分度號普通級補償導(dǎo)線的允差。 3、補償導(dǎo)線儀表盤接線點的位置 我們知道，補償導(dǎo)線只是把熱電偶的參比端延長，起到移動參比端位置的作用，延伸后的參比端溫度應(yīng)當恒定或配用本身具有參比端溫度自動補償?shù)难b置，否則仍可能因新的參比端溫度變化引起測量誤差。 比如在儀表盤內(nèi)接線時，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。當熱電偶的補償導(dǎo)線引進儀表盤后，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量誤差。所以將補償導(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、補償導(dǎo)線的線路電阻 對早期配熱電偶的動圈式儀表來說，有5Ω、15Ω兩種線路電阻的要求，當熱電偶安裝地點離動圈表較遠時，或采用分度號K、N、E、J、T等包含有銅鎳材料的補償導(dǎo)線時，其線路電阻較大，選用時要注意選較大截面的補償導(dǎo)線。比如選用外接15 Ω線路電阻 E分度號的動圈式儀表時，其配用的補償導(dǎo)線截面為1.0 mm2、2.5 mm2 ，而對應(yīng)的單位長度線路電阻分別為 1.25Ω/m和 0.5Ω/m， 則補償導(dǎo)線的大允許長度僅為 12 m和 30 m。設(shè)計時如不留心，這個長度很容易超過，造成測量誤差。 5、R、S分度號熱電偶的補償導(dǎo)線 同稱為鉑銠-鉑的熱電偶有R、S兩種分度號，分別代表鉑銠13-鉑和鉑銠10-鉑熱電偶，前者在國內(nèi)應(yīng)用較少， 但其熱電勢較大（1600℃時R、S分度熱電偶的熱電勢分別為18.849mV和16.777 mV），而在低溫段 100℃ 時兩者基本一致（R、S 分度號的熱電勢分別為 0.647 mV和0.646 mV），200 ℃時稍有差別（R、S 分度號的熱電勢分別為 1.467 mV和1.441mV），所以目前國內(nèi)市場上R、S分度號的補償導(dǎo)線是通用的。如將市場上通常采購得到的S分度號的補償導(dǎo)線用于R分度號的熱電偶，在100℃以下*，即使到了耐熱用補償導(dǎo)線的極限溫度200℃，當熱電偶的熱端溫度分別為600℃、1000℃、1300℃時，所引起的誤差僅為 2.5℃、2.2℃、2.0℃。 這一點可作為1節(jié)的一個特例。 在常用熱電偶當中，R、S 分度號補償導(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。當測量誤差要求高時，必須將參比端的溫度保持在100 ℃以下。 6、補償型與延伸型補償導(dǎo)線的比較 K 分度號的補償導(dǎo)線有補償型KC補償導(dǎo)線與延伸型KX補償導(dǎo)線，以下性能對照表2可以供實際選用時參考。 表2 K分度號補償型與延伸型補償導(dǎo)線的性能比較 7、雙鉑銠熱電偶不用補償導(dǎo)線 前面講了這么多，都是說要用補償導(dǎo)線去補償熱電偶參比端溫度，但在常用熱電偶中，分度號B的雙鉑銠（鉑銠30-鉑銠6）熱電偶是一個例外，它沒有的補償導(dǎo)線，或者換一句話說，在實際應(yīng)用中，它一般沒有必要使用補償導(dǎo)線。 雙鉑銠熱電偶常用于1300~1600 ℃溫度段的測溫（≤1300℃ 通常采用鉑銠-鉑熱電偶），其低溫段的熱電勢出奇地低，如100℃時的熱電勢僅 0.033mV， 200℃時的熱電勢為0.178mV，與整個測溫范圍內(nèi)（0~1800 ℃）每100℃的平均熱電勢為0 .700mV 比較,相差懸殊，所以即使不補償，造成的誤差也很小。例如當熱端溫度為1300℃和1600℃時，如參比端溫度t1=100℃ 時，造成的誤差為±3.0℃，如t1=120℃ 時，造成的誤差為±5，.0℃ ，均達到使用普通級補償導(dǎo)線 ±5℃的要求。但值得注意的是，如t1=200℃ 時，則可能造成±16.3℃的誤差，因此對雙鉑銠熱電偶來說，雖然在通常情況下可不使用補償導(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℃以下熱電勢幾乎為零，可不用補償導(dǎo)線，而鎳鐵-鎳銅熱電偶在50℃以下的熱電勢微乎其微，在這個溫度范圍內(nèi)也不用補償導(dǎo)線。熱電偶名稱 熱電偶分度號 參考端為 0℃時的熱電勢 mV 100℃ 200℃ 鉑銠10—鉑 S 0.646 1.441 鉑銠13—鉑 R 0.647 1.469 鉑銠30—鉑銠6 B 0.033 0.178 鎳鉻—鎳硅 K 4.096 8.138 鎳鉻硅—鎳硅 N 2.774 5.913 鎳鉻—銅鎳 E 6.319 13.421 鐵—銅鎳 J 5.269 10.779 銅—銅鎳 T 4.279 9.288 熱電偶分度號 熱電偶分度號
200
1440
1380－1500
KCA
200
8137
8077－8197
8037－8237
200
5912
5852-5972
5812-6012
200
13419
13299-13539
13219-13619
200
10777
10692-10862
10637-10917
200
9286
9238-9334
9196-9376
200
2602
2552-2652
2522-2682
生的熱電動勢允差符合下表：合金絲
200
4141
4101-4181
4076-4213
200
4133
4083-4183
4053-4213
200
2106
2066-2146
2041-2171
200
1440
1380-1500
200
9286
9216-9356
9166-9406
200
9286
9238-9334
9196-9376
200
3996
3976-4016
3961-4031性 能 補 償 型 KC 延 伸 型 KX 材質(zhì) 與熱電偶材質(zhì)不同 與熱電偶材質(zhì)相同 熱電勢特性 一定溫度范圍內(nèi)，與配用熱電偶相近 與配用熱電偶相同 誤差曲線 非線性，隨溫度而變 線性 使用溫度范圍 受限制（如一般用補償導(dǎo)線為100℃） 不受限制（僅取決于絕緣材料） 線路電阻 低（約0.8Ω/m，mm2） 高（1.5Ω/m，mm2） 補償接點干擾 因兩種不同材料構(gòu)成補償接點，可能產(chǎn)生干擾 無 補償精度 低 高 價格 低 高（約高1～2倍）
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