補償導線工作原理及其應用

一、概述
由熱電偶的測溫原理可知，熱電偶產生的熱電勢與熱端（又稱測量端）、參比端（又稱冷端）的熱電勢有關，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（見圖1）。如果不補償的話，則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。由于大多數熱電偶的熱電勢與溫度的關系近似線性，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、補償導線法等，但最常用的就是補償導線法。
本文首先敘述補償導線的原理和分類，然后介紹補償導線應用中通常需要了解的幾個問題。
二、補償導線的工作原理及分類
1、補償導線的工作原理
在一定溫度范圍內，熱電性能與熱電偶熱電性能很相近的導線稱為熱電偶的補償導線。
按熱電偶中間溫度定則，熱電偶測溫回路的總電勢值只與熱端和參比端的溫度有關，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償導線來代替需要延伸的貴重熱電偶材料，將參比端由熱電偶接線盒延伸到儀表接線端，由補償導線對原參比端溫度進行補償。
補償導線除了可減少測量誤差外，還有以下優點：可改善熱電偶測溫線路的物理性能和機械性能，如采用多股線芯或小直徑補償導線可提高線路的柔韌性，使連接方便，也易于屏蔽外界干擾；可降低測量線路成本。
2、補償導線的分類
從原理上分延長型和補償型，延長型其合金絲的名義化學成分與配用的熱電偶相同，因而熱電勢也相同，在型號中以"X"表示，補償型其合金絲名義化學成分與配用的熱電偶不同，但在其工作溫度范圍內，熱電勢與所配用熱電偶的熱電勢標稱值相近，在型號中以"C"表示。
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）補償導線，以是否帶屏蔽層分為普通型和屏蔽型補償導線，還有專用于防爆場合的本質安全電路用的補償導線。
三、應用中的幾個問題
1、補償導線與熱電偶的匹配
各種分度號的補償導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℃時需補償的熱電勢值見表1：
表1 常用熱電偶在100℃和200℃時的熱電勢值
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
當我們用K分度號的補償導線配用N分度號的熱電偶，將造成過補償，顯示溫度偏高；反之，用N分度號的補償導線配用K分度號的熱電偶，將造成欠補償，顯示溫度偏低。
2、補償導線分度號和極性的判斷
有時可根據資料所列補償導線的材料、絕緣層及護套顏色判斷，但由于國內新舊標準、IEC標準的規定有差異，用這個方法對補償導線的分度號和極性常常難以準確判斷。
最可靠最常用的方法是測試法，就是將補償導線的兩端剝去絕緣層，把兩根導線絞合在一起制成熱電偶的熱端，放到沸騰的水中，兩根導線的另一端與直流電位差計相連（不應該與動圈式直讀mV 表相連，因測量時取電流其讀數偏低），將測得的熱電勢與表1比較，與之最接近的即為補償導線的分度號，根據電位差計的正負極可確定補償導線的極性。由于測試時由補償導線構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線為例，如參比端溫度約20℃，測量值如在3.928±0.150mV范圍內，則可判斷這種補償導線的分度號是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線的允差。
3、補償導線儀表盤接線點的位置
我們知道，補償導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當恒定或配用本身具有參比端溫度自動補償的裝置，否則仍可能因新的參比端溫度變化引起測量誤差。
比如在儀表盤內接線時，由于常用盤裝顯示器、記錄儀本身因通電而發熱，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。所以最好將補償導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線時，其線路電阻較大，選用時要注意選較大截面的補償導線。比如選用外接15 Ω線路電阻 E分度號的動圈式儀表時，其配用的補償導線截面為1.0 mm2、2.5 mm2 ，而對應的單位長度線路電阻分別為 1.25Ω/m和 0.5Ω/m， 則補償導線的最大允許長度僅為 12 m和 30 m。設計時如不留心，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，前者在國內應用較少， 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），所以目前國內市場上R、S分度號的補償導線是通用的。如將市場上通常采購得到的S分度號的補償導線用于R分度號的熱電偶，在100℃以下無誤差，即使到了耐熱用補償導線的極限溫度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節的一個特例。
在常用熱電偶當中，R、S 分度號補償導線的精度是最低的，但從溫度使用范圍來看，0～60℃范圍內誤差很小，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線的比較
K 分度號的補償導線有補償型KC補償導線與延伸型KX補償導線，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線的性能比較
性 能     補 償 型 KC 延 伸 型 KX
材質       與熱電偶材質不同       與熱電偶材質相同
熱電勢特性    一定溫度范圍內，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       因兩種不同材料構成補償接點，可能產生干擾       無
補償精度       低    高
價格       低    高（約高1～2倍）
7、雙鉑銠熱電偶不用補償導線
前面講了這么多，都是說要用補償導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，它沒有專用的補償導線，或者換一句話說，在實際應用中，它一般沒有必要使用補償導線。
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（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，在這個溫度范圍內也不用補償導線。