热电偶补偿导线

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1、 补偿导线与微电动势 在工业生产过程中，温度是需要测量和控制的重要参数之一。在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高、惯性小和 输出信号 便于远传等许多优点，所以常被用作测量炉子、管道内的气体或液体的温度及固体的表面温度。但是热电偶的材料一般都比较贵重（特别是采用贵金属时）而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（自由端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。补偿导线是在一定的温度范围内，具有与热电偶匹配的热电动势标称值相同的一对带绝缘包覆的导线，必须指出其作用只起延伸热电极，是热电偶的冷端移动到

2、控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。 一、 回路电动势的构成 当有两种不同的导体或半导体A和B 组成一个回路，其两端互相连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T ,称为工作端或热端，另一端温度为T0 ,称为自由端（也称参比端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，产生的电动势则称为“热电动势”。热电动势由两部分组成，一部分是两导体的接触电动势（帕尔贴电势），另一部分是单一导体的温差电动势（汤姆逊电势）。 1 .接触电动势当A 和B 两种不同材料的导体接触时，由于两者的自由电子体密

3、度差异，就会在接触处产生自由电子的扩散运动，形成扩散电子流。设导体A 自由电子的体密度（NAt）大于导体B（NBt）,扩散运动的结果，接触处的A 端因失去电子而带正电，B 端因得到电子而带负电，从而在电场作用下产生飘移运动，形成与扩散运动相反的飘移电子流。二者达到动态平衡形成稳定的电场，产生了接触电动势。由于接触电动势的大小只与导体的自由电子体密度相同，因此与导体材料、接点的温度有关，与导体的直长度及几何形状无关。对于温度分别为t和t0 的两接点，可得下列接触电动势公式：式中：K为波尔兹曼常数；t 为绝对温度表示的温度值；e 为电子电荷量。 2. 温差电动势对于导体A 或B ,将其两端分别置于

4、不同的温度场t、t0中（tt0）。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡的状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，如下式所示： 此时回路的总电动势：从上式可以看出，如果热电偶回路中的两个热电极材料相同，无论两接点的温度如何，热电动势为零。3. 补偿的导线对热电动势的影响若在热电偶中引入补偿导线，在一定的温度范围内，具有与热电偶匹配的热电动

5、势标称值相同 ，在两接点温度t、t0时的热电动势等于该热电偶在接点温度t、tn 和 tn、t0 时的相应热电动势的代数和。 式为补偿导线的使用提供了理论依据。它表明：若热电偶的热电极被导体延长，只要接入的导体组成热电偶的热电特性与被延长的热电偶的热电特性相同，则总回路的热电动势与连接点温度无关，只与延长以后的热电偶两端的温度有关。 4. 中间导体定律 我们知道在热电偶回路中接入第三种导体 ，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。与此相似，对于传热均匀的材料，补偿导线的合金丝可以直接插入金属中或直接焊在金属表面进行温度测量。但是，对于通常条件下的固体传热块的温度测量，应尽可能

6、将补偿导线测量端焊接成一体，以尽可能减小结点温度不均匀给测量带来的误差。二、 热电极用材料的选择根据金属的热电效应原理，任意两种不同材料的导体都可以为热电极组成热电偶，但在实际应用中，用作热电极的材料应具备如下几方面的条件：（1） 温度测量范围广 要求在规定的温度测量范围内有较高的测量精确度，有较大的热电动势。温度与热电动势的关系是单值函数，最好是呈线性关系。（2） 性能稳定要求在规定的温度测量范围内使用时热电性能稳定，均匀性和复现性好。通过改进的同种材料组成热电偶产生热电势的试验，发现有微弱热电势产生。这说明由于某种作用使同种材料的均质性遭到破坏，不均质性产生附加热电势，因此合金丝的选择要尽

7、量避免这种情况出现。（3） 物理化学性能好 要求在规定的温度测量范围内使用时不产生蒸发现象。有良好的化学稳定性、抗氧化性和抗还原性能 。 满足上述条件的热电偶材料并不多。目前我国大量生产和使用、性能符合专业标准或国家标准并具有统一分度表的热电偶材料称为定型热电偶材料 ，共有六个品种。他们分别是：铜-康铜、镍铬-考铜、镍铬-镍硅、镍铬-镍铝、铂铑10-铂及铂铑30-铂铑6。其中镍铬考铜热电偶材料将逐渐被淘汰。根据国际电工委员会（IEC）标准的规定，我国将发展镍铬-康铜 、铁-康铜热电偶材料，如铂铑13-铂、铑40-依、钨铼5-钨铼26 等等。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，

8、补偿导线与热电偶热电动势相近。补偿导线与所配热电偶：见下表。表一 补偿导线品种一览表名 称型号配用热电偶热电偶分度号铜-铜镍0.6补偿型导线SC或RC铂铑10-铂热电偶S 铂铑13-铂热电偶S或R铁-铜镍22 补偿型导线铜-铜镍40补偿型导线镍铬10-镍硅3延长型导线KCAKCBKX镍铬-镍硅热电偶K铁-铜镍18补偿型导线镍铬14硅-镍硅延长型导线NCNX镍铬硅-镍硅热电偶N镍铬10-铜镍延长型导线EX镍铬-铜镍热电偶E铁-铜镍45延长型导线JX铁-铜镍热电偶J铜-铜镍45延长型导线TX铜-铜镍热电偶T 表二 分类和等级标志类别标志允许等级及标志普通级精密级一般用GBA耐热用H 表三热电动势及

9、允差 型号热电动势及允差（mv）100200热电动势允差热电动势允差普通级精密级普通级(B)精密级(A)SC0.6450.037(5)0.023(3)1.4400.057(3)KC4.0950.105(2.5)0.063(1.5)KX4.0950.105(2.5)0.063(1.5)3.1370.100(2.5)0.060(1.5)EX6.3170.170(2.5)0.102(1.5)13.4190.183(2.5)0.111(1.5)JX5.2680.135(2.5)0.081(1.5)10.7770.138(2.5)0.033(1.5)TX4.2770.047(1)0.023(0.5)9.

10、2860.053(1)0.027(0.5)三、 补偿导线的有选择使用为了保证补偿可靠、稳定的工作，对它的结构就有一定的要求。首先两根导体彼此之间应该很好的绝缘、以防短路，此时测量端将会延伸到短路处，而不是需测量部位的温度。因此，在选择热电偶补偿导线的时候，尤其要注意绝缘耐热温度，外护套应保证热电极与有害介质充分隔离。一般用补偿导线的绝缘层是以聚氯乙烯为主体材料的，根据其使用的最高温度70和100分别标记，对于高耐温场合下应选择耐热材料绝缘，如聚四氟乙烯，耐高温硅橡胶绝缘等。耐热用补偿导线的护套是以聚四氟乙烯（用“F”标记）或无碱玻璃丝为主体材料。用无碱玻璃丝编织做护套必须表面涂有机硅漆或聚四氟

11、乙烯分散液烧结。补偿导线在传递信号的过程中，其工作时电动势通常对外影响很小，一般只有几毫伏到几十毫伏。而外界干扰对补偿导线的干扰远远大于此。因此在需控制外界干扰影响的场合，补偿导线还应有屏蔽层，并且使用的时候应注意其它干扰源的影响。四、 补偿导线的型号组成屏蔽特征线芯结构绝缘材料允差等级补偿导线型号1.型号举例：1） 一般用普通级KX型有屏蔽截面为1.0mm2，表示为KXVVP 21.0mm2 2) 耐热用普通级KX 型有屏蔽截面为1.0mm2，表示为：KXFFP 21.0mm2(聚全氟乙丙烯绝缘及护套挤出型)2.结构代号和温度使用范围：等级结构代号绝缘材料护套材料屏蔽材料使用温度范围一般用 (G)VV聚氯乙烯 (V)聚氯乙烯或阻燃聚氯乙烯-20+100VVP聚氯乙烯(V)聚氯乙烯或阻燃聚氯乙烯复合铝箔或铜丝编织(P)-20+100耐 热 用 (H)HF4聚四氟乙烯 玻璃丝(FB)聚四氟乙烯 玻璃丝-40+200HF4P聚四氟乙烯 玻璃丝(FB)聚四氟乙烯玻璃丝铜丝编织(P)40+200FF聚全氟乙丙烯(F)聚全氟乙丙烯40+200FFP聚全氟乙丙烯(F)聚全氟乙丙烯铜丝编织(P)40+2008