热电偶配用补偿导线测温的误差分析及其实验研究Word格式.docx
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一、引 言
热电偶配用补偿导线测量温度十分普遍,有关的使用手册中规定补偿导线的使用温度范围是0~100℃或0~150℃。
大多数用户误认为,只要使用温度没有超值,测温就是准确的,实际并非如此,例如,某电厂使用镍铬-镍硅配用补偿导线测量主蒸汽的温度,由于热电偶偶丝与补偿导线连结处的温度高达150℃,以致产生很大的温度测量误差,当时也没有意识到,结果发生了严重的事故,造成了一定的损失,事后查明原因是,连结点的温度太高。
热电偶配用补偿线的原理测量误差的大小,实际使用时,要把连接点放在合适的温度处,或根据连结点的温度进行误差修正。
本文运用热电偶配用补偿导线测温原理,分析了测温误差,提出了误差修正的方法,给出了镍铬-镍硅热电偶配用铜-康铜作补偿线的测温误差修正值,并经实验研究,验证了本文的分析结果。
二、热电偶配用补偿导线
测量温度的原理
热电偶与补偿导线的连接方式如图1所示,图中A、B为热电偶偶丝,A′B′为补偿导,,
31
第6期·
元件与应用·
图1 热电偶和补偿导线接线图
势为:
E=EAB(t,tn+AA′B′(tn,t0(1
式中 tn———偶丝和补偿导线连结点的温度
在某一温度范围内,下式近似成立:
EAB(tn,t0=AA′B′
(tn,t0(2
将(2式代入(1式得:
E=EAB(t,tn+AAB(tn,t0E=EAB(t,t0
(3
(3式就是热电偶使用补偿导线的测温原理,公式说明,使用补偿导线后,相当于把热电偶的参比端移到温度t0处,另外,(3式成立的条件是,在某一温度tn时,EA′B′(tn,t0=AAB(tn,t0,或者在tn的某一范围内,EA′B′(tn,t0≈EAB(tn,t0,此时会引入测温误差。
三、热电偶配用补偿导线测温误差分析
对于同一介质温度t,使用热电偶和同种偶丝材料作延长线,以及热电偶和别的金属丝作补偿导线这两种测温体系来测定,连结点的温度为tn,测量简图如图2所示,这两种测量体系所测得的热电势分别为
:
图2 测量简图
EABBA(t,t0=EAB(t,tn+EAB(tn,t0(4EABB′A′(t,t0=EAB(t,tn+EA′B′(tn,t0(5令ΔE=EABBA(t,t0-EABB′A′(t,t0(6
将(4和(5式代入(6式得:
ΔE=〔EAB(t,tn-EAB(t,tn〕+ 〔EAB(tn,t0-EA′B′(tn,t0〕ΔE=EAB(tn,t0-EA′B′
(tn,t0(7
(7式说明,使用补偿导线后,两种测温体系测得的总的热电偶差值为在温差tn-t0下,热电偶偶丝和补偿导线的热电势之差。
这个差值便是使用补偿导线后引入的误差。
(7式还说明,ΔE是tn和t0的函数,在t0不变时,ΔE只与tn有关,也就是说,使用补偿导线引入的测温误差与偶丝和补偿导线连结
点处的温度tn有关,在知道了热电偶材料、补偿导线材料和tn后,这个测温误差是可以修正的。
表1是镍铬-镍硅(铝热电偶和补偿导线铜-康铜t0=0℃,tn=0~200℃时的热电势及它们之间的差值。
从表1中可以清楚地看出,在0℃和40℃时,它们的热电势相等,即tn=40℃,使用补偿导线测量温度与使用热电偶的测量值相等,不存在测温偏差。
表1 镍铬-镍硅(铝和铜-康铜热电偶在0
~200℃时的热电势值
温度(℃镍铬—镍硅(铝热电势(mV
铜—康铜
热电势(mV
差值
(mV0000200.7890.7890.009401.611
1.611
0803.2663.357-0.0911004.0954.277-0.1821506.1376.702-0.565200
8.137
9.286
-1.149
四、热电偶配用补偿导线测量温度误差
修正
由(7式可知,测温误差引入的根本原因是,由于热电偶和补偿导线在tn-t0下的热
电势不同造成的,即由于ΔE≠0所造成的。
但是进行测温误差修正时,不能简单地把ΔE的mV值直接转化成温度℃,原因是热电偶的mV-℃关系不是线性的。
正确的修正方法见图3所示的计算方法,为叙述方便起见,32 仪表技术与传感器
1998年
(K型热电偶,补偿导线是铜-康铜(T型热电偶
。
图3 测温误差修正计算方法简图
对于别的型号的热电偶和配用的补偿线的测温误差修正计算方法是一样的,只要将不同型号的热电偶和补偿导线代入即可。
图3所示的测温误差修正计算方法是精确的热电偶配用补偿导线测温误差修正方法,其本质是公式(7,考虑到mV-℃关系是非线性的,直接引入tn温度后,即确定了ΔE值所在温度区间,直接取用热电偶的分度值,便能精确进行测温误差修正值的计算。
表2是根据图3所示的计算方法得到的K型热电偶配用T型热电偶作补偿线,tn在-50~150℃范围内部分温度时的修正值。
表2 测温误差修正表
tn℃ΔtK-T℃tn℃ΔtK-T℃-50.001.9470.001.39-30.000.9280.002.20-10.000.23903.190.000.00100.004.3910.00-0.15110.005.8520.00-0.22120.007.5430.00-0.17130.009.4840.000.00140.0011.6650.000.31150.00
14.08
60.00
0.76
应用举例:
用镍铬-镍硅(铝热电偶、配,
测量指示值为250℃,连结点温度为100℃,求介质的实际温度值。
解:
由tn=100℃在铜-康铜热电偶分
度表中查得MVT=4.277mV,由MVT=4.277mV在镍铬-镍硅(硅热电偶分度表中查得Ktn=104.39℃
∴ΔtK-T=104.39℃-100.00=4.39℃
∴介质实际温度=250-4.39=245.61℃
五、实验研究
1.实验装置简述
实验的目的是,选择有代表性的温度点,验证上述分析,实验选用常用的镍铬-镍硅
(铝热电偶,配用铜-康铜作补偿线,标准温度用精度为0.10℃和0.05℃的标准水银温度计,K-T体系测温采用输力强公司的IMP专用温度采集板,误差<
0.3℃,实验装置示意图见图4所示。
2.实验步骤
(1在水沸点下,校验作为补偿的铜-康铜热电偶。
(2在水沸点下,校验镍铬-镍铝热电偶。
(3按图4所示装置和连结关系,完成实验装置和信号连接。
(4升温、保温、使广口保温瓶中水保持沸腾状态。
(5实验,记录下水银温度计1和2温度,同时由PC机通过IMP采集K-T体系的测量值t℃.
(6重复实验。
3.实验结果
为了确保实验精度,实验在沸水条件下进行,即连结温度tn等于水沸点(99.50℃,介质t温度等于水沸点(99.50℃,此情况下,在整个实验过程中,t和tn温度恒定,人工读数和计算机读数都很精确。
表3是实验结果及与根据热电偶分度表所得的温度修正值的比较。
33
图4 实验装置示意图 表3 实验结果及与根据热电分度的温度误差
修正值的比较
tn℃实验结果温度误差修正值℃根据分度表的
误差修正值℃
偏差℃
99.404.304.32-0.0299.554.384.34+0.0499.504.324.33-0.0199.504.374.33+0.0499.504.324.34-0.0299.504.334.330
4.实验测量误差分析
根据图4所示的测量系统,测量误差主要包括水银温度计误差Δt1、Δt2和IMP测量误差Δt3,由于实验用的镍铬-镍铝和铜-康铜热电偶现场经水银温度计检验,所以此项误差Δt4和Δt5取为相应的水银温度计误差Δt1和Δt2值。
根据Δt1=0.05℃
Δt2=0.1℃
Δt3=0.3℃
Δt4=0.05℃
Δt5=0.10℃
则测量系统的最大误差为:
Δ=±
.05+0.1+0.3+0.05+0.1=±
0.34℃
六、结束语
使用镍铬-镍硅(铝配用铜-康铜补偿导线测温,连结点的温度在0~50℃之间较合适,如果tn温度值较低,或较高,需要根据测量精度要求,进行测温误差修正,以免由于测温误差过大而带来不良后果。
对于其它型号的热电偶及配用的补偿导线,用户可根据本文提出的修出方法进行测温误差的修正。
参考文献
1 吕崇德等.热工参数测量与数据处理.北京:
清华大学出版社,1990.
(收稿日期:
1997年9月26日;
修改稿日期:
1998年3月10日
下期要目预告
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34 仪表技术与传感器1998年
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- 关 键 词:
- 热电偶 补偿 导线 测温 误差 分析 及其 实验 研究