热电偶补偿导线应用机理探讨

　　众所周知,热电偶补偿导线是一对化学成分不同的金属导线,在一定温度范围内与其所配接的热电偶具有相同的温度———热电势关系。热电偶与二次仪表之间利用补偿导线连接,如果极性接得正确,就相当于热电极延长,使热电偶的冷端延长到温度较低(最理想的温度是0℃)且稳定的场合,以便进行冷端温度补偿,从而达到精确测温的目的。而补偿导线的价格却比相应的热电极便宜得多。

　　目前,热电偶补偿导线在工业测温中已得到广泛的应用,且收到了比较满意的效果,但仍存在一些问题。为此,本文作者就补偿导线的应用机理从几个不同的角度进行分析论证。

　　1　补偿导线的补偿作用

　　补偿导线的补偿可用中间温度定律证明。设热电偶两热电极的材料分别为A与B,补偿导线的材料分别为A′和B′,4种材料与二次仪表构成一个闭合的测温回路,正确的接线方法应是A′与A相接,B′与B相接,如图1所示。

　　回路的总热电势包括两部分,即各结点的接触电势(也称珀尔贴电势)和各种材料自身两端温度不同而出现的温度差电势(也称汤姆逊电势)。由电子理论可知,A与B结点在T温度下的接触电势为PAB(T)=(KT/q)Ln(NA/NB),依此类推可得B与B′、B′与A′、A′与A诸结点在相应温度下的接触电势分别为

　　式中:T、Tn、T0为各结点的温度(K)。NA、NB、NA′、NB′为热电极和补偿导线各自的自由电子密度。q为电子电荷量(4.802×10-10绝对静电单位)。K为波尔滋曼常数,1.38×10-16尔格/度。

　　回路中热电偶和补偿导线的汤姆逊电势的代数和分别为:

　　式中:σ为汤姆逊系数,表示温差为1℃时所产生的电势值。

　　实验证明,回路中汤姆逊电势的代数和很小,可忽略不计,故整个测温回路中只考虑珀尔贴电势。由中间温度定律可得回路总热电势为:

　　而

　　又:

　　上式的结果说明,热电偶和补偿导线组成的回路中,在结点温度为T、Tn、T0时,其总热电热等于热电偶在两端温度为T与Tn时的热电势和补偿导线在两端温度为Tn与T0时的热电势之代数和,因在一定温度范围(0~100℃)内,补偿导线的热电特性与所配电偶的热电特性一致,即EA′B′(Tn,T0)=EAB(Tn,T0),可得:EABB′A′(T,Tn,T0) =EAB(T,Tn) +EAB(Tn,T0) =EAB(T,T0)。

　　由此可知,当补偿导线与所配热电偶正负极连接正确时,即可将热电偶的冷端温度由Tn移至T0处,相当于热电偶的热电极延长,其等效电路如图2所示。

　　对R和S型热电偶而言,有关学者提出了一种较为理想的温度补偿系统,在500℃的条件下其补偿误差低于2℃,具体方法是采用具有3根导线的补偿电缆,如图3所示。