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热电偶的补偿导线问题
近日多次与量友们讨论补偿导线的问题，见很多人对补偿导线的理解停留在字面理解上，我特将补偿导线的作用与使用简单介绍如下，供大家参考学习。
补偿导线的作用：
1）、利于热电偶参考端温度的修正和集中控制。
测量仪表一般安装在远离热源和环境温度较稳定的地方，而普通热电偶的接线盒（参考端安装的地方）距被测对象很近。必须用导线把热电偶参考端与仪表连接。若用普通铜导线连接则热电偶参考端温度较高而且不稳定，给测量带来误差。若将热电偶延长使热电偶参考端远离热源，理论上是可以的，但会造成热电极材料的浪费。补偿导线就是为解决这个矛盾而产生的。它的特点是在参考端温度可能的变化范围内（0-100℃或0-150℃）由补偿导线两极组成的热电偶其热电特性与所配热电偶的热电特性相同，即：
Eab（tn，0）=Eab（tn，0）
根据中间温度定律可知，热电偶回路中加入补偿导线后，其热电势仅与测量端温度t和补偿导线与仪表连接处t0有关，而与参考端温度tn的变化无关，就象把热电极延长到仪表处，所以补偿导线的作用只是延长了热电偶，它并不能消除参考端温度不为0℃时的影响。因此还必须利用诸如0℃恒温器法、计算法、仪表自动补偿法等方法将热电偶参考端温度修正到0℃。
2）、可节省大量价格昂贵的金属材料，如铂铑10-铂热电偶，可选用廉家属铜-镍铜补偿导线。
使用补偿导线应注意：
1）、各种补偿导线只能与相应型号的热电偶配用。
2）、补偿导线有正、负极之分，使用时极性不可接错，否则会造成测量误差。
3）、热电偶和补偿导线连接点的温度不得超过规定的使用温度，因超过规定温度范围，补偿导线与热电偶的热电特性相差较大而产生测量误差。
4）、由于补偿导线与热电偶材料热电特性并不完全相同，所以要求连接处的两个接点温度相同，否则将引入测量误差。
5）为便于安装，可选用多股补偿导线，也可以根据需要选用防水、防腐、防火的补偿导线。
6）、用粗直径和导电系数大的补偿导线，可以减小热电偶回路的电阻，利于仪表正常工作和自动控温。
以上为1987年的计量技术初级教材的内容.
假设热电偶测量端温度为t1,参考端为t2,仪表接线端为t3,那么E(t1-t2)为热电偶电势,E(t3-0)为仪表补偿电势,E(t2-t3)为补偿导线产生的电势,因此我认为补偿导线不但可以将热电偶延长到仪表，还能补偿t2-t3间的温度差,如果用铜导线,不会有E(t2-t3),因此不具备补偿作用。我觉得这样理解能更好的使用补偿导线。
反对将补偿导线说成延长导线，只有延长作用，那么铜导线也可以延长，这样反而不利于合理使用补偿导线.
如果将书本上关于补偿导线的解释讲给热学计量人员,也许可以理解，如果解释给温度仪表使用人员就费劲了.我认为我的解释更明了.
你说的也有一点道理，但使用补偿导线的前提条件是补偿导线与热电偶在0—100℃时的热电特性一致，以你假设的为例：假设使用k型热电偶，测量端温度为500℃，参考端温度50℃，仪表接线端子处温度为20℃，则输入仪表总热电势为E=E(t1,t2)+E(t2,t3)=E(500,0)-E(50,0)+E(50,0)-E(20,0)=20.644mV-2.023mV+2.023mV-0.789mV=19.855mV。
如果补偿导线作为热电偶的延长，就不考虑热电偶冷端温度则热电偶输入仪表总热电势E=E(t1,t3)=E(500,20)=E(500,0)-E(20,0)=20.644mV-0.789mV=19.855mV。
两种结果是一致的，由于规定使用补偿导线的前提条件是补偿导线与热电偶在0—100℃时的热电特性一致，就是相当于热电偶的延长，如果热电特性不一致，将产生附加误差，造成测量不准。另外根据热电偶的测温原理可知，热电偶测温只与测量端与参考端的温度有关，而与中间温度无关，使用补偿导线就是将热电偶的参考端延长至仪表接线端子处，以便于冷端补偿。
作者：施建政 林 松
单位：江苏省张家港质量技术监督局计量测试所
摘 要 在使用热电偶进行温度测量中，热电偶补偿导线的使用比较普遍。但经调查发现，很多地方由于没有正确使用补偿导线而出现很多问题。本文介绍了补偿导线的原理，对常见错误使用的形式进行归纳，同时从理论上分析所产生的偏差，指出正确使用方法和注意事项。
关键词 热电偶 补偿导线 使用方法 误差
热电偶补偿导线已经广泛用于热电偶温度测量中。如果了解了热电偶补偿导线的原理、功能、作用方法和注意事项，就能充分发挥热电偶补偿导线的作用，否则就会适得其反。
某钢管生产企业新引进的一套球化炉装置，装置的二十多个测温点由于设备安装人员将热电偶正负极接反，且补偿导线还存在多接头现象，再加上设备使用人员对此知识的贫乏，在工作中因炉温不正确导致炉内产品报废，直接经济损失达一百多万元，教训不可谓不深刻。
实际上在众多热电偶测温现场，笔者发现用普通铜导线作连线的占40%，而使用补偿导线作连接线的仅占60%。究其原因有二：
一是由于热电偶设备使用操作人员不了解补偿导线功能，认为既然只要起到连接作用，普通导线即可。
二是设备制造商在安装热电偶时，用的连接线即为普通
导线，而在使用者角度总认为设备安装人员都是专业人员，做法总是正确的，没能引起应有的怀疑。
在工业生产中，虽然热电偶作为温度传感器，已经广泛使用于温度测量和控制，人们对此也比较熟悉，但如果在使用中不注意正确的使用方法，就会给测温和控温造成很大的偏离，严重时会直接造成经济损失，所以应该引起重视。
一、热电偶的测温原理简介
由2种不同均质材料A、B组成的回路（见图1）称为热电偶。A、B材料2端连接的接点分别用J1、J2表示，如果J1、J2的接点温度T1和T2不一样，在回路中就会产生电势，通常称为热电势。当A、B的材料一定时，热电势的大小取决于T1、T2之间的温度差，用公式表示为
EAB(T1，T2)=eAB（T1）+eBA（T2）=eAB（T1）-eAB(T2) (1)
式中：EAB（T1，T2）———材料为A、B的热电偶，接点温度T1、T2之间的温差电势。
eAB（T1)———A、B接点温度为T1时的电势。
eAB（T2）、eBA（T1）———A、B接点温度为T2时的电势，这2项大小相等，符号相反。
为了统一热电偶材料并进行规范，国家有关标准规定了组成热电偶材料A、B的成分、纯度，并且给出了A、B材料的组合形式，统一用一个字母命名型号，如K型、S型等。为了使用方便，将各种型号的热电偶温度值与电势关系，统一为相对于0℃时的电势值，这里用T0表示，制成各种型号的热电偶分度表，便于查阅和计算。
这样相对于图1中的形式，公式（1）转化为
EAB（T1，T2)=EAB（T1，T0）-EAB（T2，T0） (2)
公式（2）就是我们目前使用的实用公式，只要知道T1、T2，可以从分度表中查出EAB（T1，T0）和EAB（T2，T0）。
图1中左图为原理图，该图中对于热电势无法测量；右图为目前实际使用的测量电路，在热电偶的2极用测量导线连接，根据热电偶中间导体定律，只要右图中接点J2、J3的温度相同，均为T2，并且连接导线均为同种均质材料，图1中的右图与左图是等效的。
二 热电偶补偿导线
1. 连接导体定律和中间温度定律
首先我们来分析热电偶的连接导体定律和中间温度定律，如图2。
实际应用中，测量和控制仪表与热电偶总是有一段距离，如图2所示。C、D也是2种均质材料，根据热电偶的中间导体定律，可以导出测量的总电势EZ的表达式为：
EZ=EAB（T1，T3）+ECD（T3，T2） （3）
式(3)就是热电偶连接导体定律。如果连接的不是一段，总电势EZ同样为各个部分之和。在图2的测量中，我们希望测量端的总电势为热电偶EAB（T1，T2），便于控制仪表测量中不至于中间连接产生附加电势，表达式为：
EAB（T1，T2
）=EZ=EAB（T1，T3）+EAB（T3，T2） （4）
式(4)中T3称为中间温度，所以也称为中间温度定律。这样就要求我们找到某种材料C、D，他的特性为：
ECD（T3，T2）=EAB（T3，T2）（5）
满足式(5)的材料我们称为热电偶的补偿导线。因为热电偶的种类较多，所以热电偶补偿导线的种类也较多。
2. 在工业温度测量和温度控制中正确使用补偿导线
工业温度测量、控制中，热电偶使用的位置总是距测量、控制表（下面简称仪表）有一定的距离，因而从热电偶的输出端到测量、控制表的输入端，需使用补偿导线连接。由于热电偶和补偿导线均有正负极，故接线时应该正极与正极连接，负极与负极连接。见图3所示。
图3中由于T3和T2的温度差会给测量带来误差，补偿导线的作用就是补偿T3和T2,不同种类的热电偶，要使用相应型号的补偿导线，不同型号的补偿导线不能混用。
三、 常见补偿导线使用中的错误和产生的误差
1. 热电偶补偿导线正负极与热电偶接反
如果将热电偶补偿导线的正负极与热电偶正负极接反，而热电偶的正负极与仪表的正极连接是正确的，以K型偶为例见图4所示。这种错误在应用中比较普遍，因为连接后，被控制对象的温度变化趋势与显示仪表是一致的。加之目前热电偶补偿导线产品很多标注不规范，难以辨认；有些甚至是生产厂家将颜色标错。下面分析由于这种情况所产生的误差。
如果正确连接，仪表所接收的总热电势为
EZ=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）=EK（T1，T3）+EK（T3，T2）
=EK（T1，T2）（6）
因为连接的错误，根据中间导体定律，仪表所接收的总热电势为
E′Z=EK（T1，T3）+EKX（T3，T2）（7）
对于KX延伸型补偿导线，有
E′KX（T3，T2）=-EKX（T3，T2）=-EK（T3，T2）（8）
计算，仪表测量值由此产生误差为
EZ′-EZ=EK（T1，T3）-EK（T3，T2）-EK（T1，T3）-EK（T3，T2）
=2EK（T3，T2）（9）
一般工业炉附近的温度，至少比控制间的温度高8℃。那么由此产生误差正好是补偿导线补偿值的2倍。对于K型偶，微分电势值基本在40℃/（μV）左右，测量温度大约比实际温度低16℃。如果控制温度设定在600℃，实际温度应该在616℃左右。
从上面的分析可以看出，当热电偶补偿导线正负极接反，不仅没有起到补偿作用，误差比不接补偿导线还增加一倍，因此补偿导线在连接时一定要注意极性。
如果不能确定热电偶补偿导线极性时，可以取一段补偿导线，将一端绝缘去掉后拧在一起，放在热水杯中，用普通万用表直流电压量程最低档测量另一端的2根线，万用表上会显示测
量电压的正负，信号的正极为补偿导线的正极。
2. 使用的补偿导线型号不对
同种补偿导线配同种热电偶，如果所选的补偿导线种类不对，一样产生误差。假设使用S型热电偶，选择了K型偶的补偿导线KX，如图5所示。
根据中间导体定律，仪表所接收的总热电势为
E′Z（T1，T2）=ES（T1，T3）+EKX（T3，T2）（10）
如果正确使用S型偶补偿导线SC，不考虑补偿导线自身误差，仪表测量的总电势为EZ（T1，T2）=ES（T1，T3）=ES（T3，T2）（11）
由于选错了补偿导线仪表测量值由此产生误差为式(10)-式(11)
EZ′-EZ=EK（T3，T2）-ES（T3，T2）-EK（T3，T2）-ES（T3，T2）（12）
如果S型热电偶工作温度为900℃，控制间环境温度为25℃，仍按照T3-T2=8℃，分别查S偶和K偶分度表，得出电势差为
EK（T3，T2）-ES（T3，T2）=0.278mV
仪表测量温度比实际温度高。如果仪表控制在900℃时，实际值只有875.1℃，误差24.9℃。
如果上述情况又将极性接反，仪表测量值偏高，仪表显示900℃时，实际温度为933.2℃，误差33.2℃。
3. 补偿导线与导线混用
在实际应用中，经常会发现由于补偿导线不够长用普通导线连接，或补偿导线断后接上一段普通导线，见图6所示。
图6中给出了2种补偿导线和普通导线混用的情况。对于图6(B)的情况，用中间导体定律来分析，假定热电偶的型号为Y（Y表示热电偶分度号中的任一种），补偿导线为YX，仪表测量端的总热电势为
E′Z=EY（T1，T3）+EYX（T3，Tn）+EC（Tn，T2）（13）
如果Tn与T2温度基本相等，EC（Tn，T2）=0,用导线连接没有影响。
如果Tn与T2温度不相等，因为有一段补偿导线，接点Tn也是远离热工设备周围，Tn总是小于T3，在室温下与T2差别不大时，EC（Tn，T2)电势较小，用导线连接影响不大。
对于图6(A)的情况，用中间导体定律来分析，为
E′Z=EY（T1，T3）+eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）+ETX（T3，T2）（14）
对于式(14)中，eYX1C（Tn1）、eCY1X（Tn2）、为补偿导线中的任1个电极与连接导线的电势。
如果Tn1=Tn2，eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）=0，中间连接导线没有影响。
如果Tn1≠Tn2，eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）≠0，中间连接导线影响取决于补偿导线的材料YX1与连接导线材料C的电势以及Tn1、Tn2差值。eYX1C（Tn1）+eCY1X（Tn2）有可能是正，也有可能是负。折合成温度值与采用的何种热电偶有关。通常廉金属热电偶的微分电势要大于贵金属热电偶。因此上述影响折合成温度，贵金属热电偶影响要大些。
四、 补偿导线使用中注意事项
1. 补偿导线的选择
补偿导线一定要根据所使用的
热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。例如，K型偶应该选择K型偶的补偿导线，根据使用场合，选择工作温度范围。通常KX工作温度为-20～100℃，宽范围的为-25～200℃。普通级误差为±2.5℃，精密级为±1.5℃。
2. 接点连接
与热电偶接线端2个接点尽可能近一点，尽量保持2个接点温度一致。与仪表接线端连接处尽可能温度一致，仪表柜有风扇的地方，接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。
3. 使用长度
因为热电偶的信号很低，为微伏级，如果使用的距离过长，信号的衰减和环境中强电的干扰偶合，足可以使热电偶的信号失真，造成测量和控制温度不准确，在控制中严重时会产生温度波动。
根据我们的经验，通常使用热电偶补偿导线的长度控制在15米内比较好，如果超过15米，建议使用温度变送器进行传送信号。温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送，抗干扰强。
4. 布线
补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。在避免不了穿越的地方，也尽可能采用交叉方式，不要平行。
5. 屏蔽补偿导线
为了提高热电偶连接线的抗干扰性，可以采用屏蔽补偿导线。对于现场干扰源较多的场合，效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地，否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用，反而增强干扰。
热电偶教学反思
教学是一个双向互动的过程，缺少了任何一方都不可能成功，因此我在《热电偶传感器》的一节教学过程中通过演示实验和学生小组讨论积极调动学生的学习积极性。
学生之前并没有接触热电偶传感器，所以兴趣很大。这节课的内容与实际生活联系紧密，要多注意培养学生分析问题的能力。本节课主要特点是：
1、努力创设情景，充分让学生成为学习的主人，研究温度与电能的之间的关系，激发学生兴趣，让学生仔细观察实验，用数据说明问题，让学生自己发现、探索、总结，培养学生的推理能力。
2、在学法上突出学生自主发现问题，开展合作探究，进行实验探究，引导分析总结等，以学生为主体的特点。尤其关注课堂教学过程中学生个体差异产生新的教学资源并较好地进行利用，运用评价手段不断引导学生学习，较好地将新课程理念结合于教学实际中。
3、结合生活实例，创设物理情景，启发引导学生，帮助学生建立形象直观的认识，提高课堂教学和学习的效率。
4、当堂检测主要是检查学生这节课的知识掌握情况，检测主要是选择题，检测学生对于热电偶传感器工作原理的理解，性质的应用，及测量电路的原理。
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