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测量引线热电势对热电阻测温系统测温结果的影响分析
点击次数:590 发布时间:2015-06-23

  在工业过程控制和实验室测温场合一般采用单向电流恒定激励热电阻的测温方法,用这种测温系统测温时,测得的结果可能会与实际温度存在一定偏差,特别在高温测量和低温测量时表现尤为明显。同时可以发现,在其它条件不变的情况下,更换测量引线其温度偏差的大小也随之改变。
通过热电阻测温系统的测量电路接线图,分析了电路中影响测温结果的热电势差产生原因。通过建立热电阻测温系统的数学模型,分析了电路中热电势对热电阻测温结果产生影响的机理。通过热电阻测温系统的测温实验,验证了分析结果,提出了减小或消除热电阻测温系统中热电势差对测温结果影响的方法。
2 热电势差对热电阻测温结果的影响为了便于量化分析,以典型热电阻测量系统为研究对象,进行分析。
2. 1 典型热电阻测温系统
典型的热电阻测温系统有标准电阻温度计测温系统和工业热电阻测温系统,标准电阻温度计以标准铂电阻温度计为常见,标准铂电阻温度计又分为长杆型和套管型两种,如图1、图2 所示。

1 - 温度计石英外壳; 2 - 穿在石英管中的螺旋状铂感温丝;3 - 焊接至感温铂丝的铂引出线; 4 - 普通四芯电缆。
图1 长杆型标准套管铂电阻温度计结构示意图

1 - 温度计玻璃外壳; 2 - 穿在玻璃管中的螺旋状铂感温丝;3 - 焊接至感温铂丝的铂引出线。
图2 标准套管铂电阻温度计结构示意图
热电阻的测量系统由热电阻、延长线和测量仪表构成,其中热电阻又由感温丝和引出线组成。长杆型和套管型两种形式的标准铂电阻温度计均是由底端的铂感温丝作为温度敏感部分,铂感温丝的两端分别通过两根铂引出线引出石英或玻璃封装管,铂引出线的另一端连接四根导线用于连接测量仪表。长杆型标准铂电阻温度计用于- 200℃以上的高精度温度测量,套管型标准铂电阻温度计用于0℃以下温度的高精度测量,工业热电阻主要有工业铂电阻和工业铜电阻。长杆型标准铂电阻温度计配有较长的测量引线可直接连接测量仪表,而套管型标准铂电阻温度计、工业铂电阻( 元件) 和工业铜电阻( 元件) 均需延长引出线后连接测量仪表。
2. 2 测量电路模型及热电势影响分析
以四线制热电阻测温为例建立温度测量系统的电路模型,并对其进行分析。如图3 所示,热电阻的感温丝A 处在等温被测环境T 中,测量仪表处于室温环境T2中,T1为T 到T2的过渡段等温区温度。图中B1 ~ B4 为焊接至感温丝的引出线,C1 ~ C4 为延长线。引出线一端与感温丝相连,另一端通过延长线连接至测量仪表。测量仪表测量端子与热电阻感温丝之间存在温差,温差主要分布于引出线或延长线上。引出线或延长线产生热电势的能力不一致,在两端存在温差的情况下,各导线产生热电势大小不一致,在测量端产生电势差,对测温结果产生影响。

如图4 所示,引出线和延长线的两端均可能存在由热电势引起的电势差,其中由引出线的热电势引起的端子2、端子3 间电势差ΔEB为
ΔEB = eB2 - eB3
式中: eB2——— 引出线B2 两端的热电势差,mV;eB3——— 引出线B3 两端的热电势差,mV。

由延长线的热电势引起的端子2、端子3 间电势差ΔEC为
ΔEC = eC2 - eC3
式中: eC2——— 延长线C2 两端的热电势差,mV;eC3——— 延长线C3 两端的热电势差,mV。
则端子2、端子3 之间的热电势差ΔE 为ΔE = ΔEB + ΔEC
实际测得的电阻值R'为

式中: UR———热电阻感温丝两端的电压,mV; I———电阻测量电流,mA。
测量线的热电势差ΔE 引起的热电阻测量偏差为

热电阻测量偏差ΔR 引起的测温偏差为

式中: α———热电阻的温度系数,Ω/℃。
将式( 3) 和式( 5) 代入式( 6) ,得

热电阻正向测温时,热电阻测量值为

式中: E1———热电阻正向测温时电压测量端的热电势差,mV。
热电阻反向测温( 热电阻引线对调) 时,热电阻测量值为

式中: ΔE2———热电阻反向测温时电压测量端的热电势差,mV。
由于热电阻引线对调,测量引线引起的热电势差大小不变符号相反,即ΔE1 = - ΔE2
将式( 8) 和式( 9) 相加再除2 得

由式( 7) 可知,热电势差对测温结果的影响量与热电势差的大小成正比,与测量电流和热电阻的温度系数成反比。由式( 12) 可知,采用热电阻换向测量求平均值的方法可以消除热电势差对测温结果的影响。
3 测量引线间的热电势差
温度测量系统测量引线间热电势差的大小与测量引线两端的温差和测量引线产生热电势能力的一致性有关,当测量引线的测温端与测量端的温差不变时,可通过选择合适的测量引线减小测量端的热电势差。为了解和掌握各种型号测量引线间产生热电势差的大小,进行了如下实验。选取不同型号导线,分别组合成若干组测量线,每组测量线由两根导线组成。将每一组测量线的测温端短路后置于- 196℃、0℃、100℃和200℃环境中,将测量线的测量端连接数字多用表电压测量端。实验结果见表1、表2、表3。

实验结果表明,同型同线轴裁剪的测量引线组的热电势差相对zui小,普通四芯电缆组成的测量引线组的热电势差相对zui大,混合配对的测量引线的热电势也较大。
表中,A 代表0. 35mm 高温线,B 代表0. 2mm裸铜线,C 代表AF - 1 镀银铜线,D 代表0. 2mm 镀银铜线,E 代表AF - 1 裸铜线,F 代表0. 35mm 裸铜线,G 代表普通四芯电缆。表中ΔT1为测量引线热电势差对Pt100 型热电阻测温系统所带来的测温误差,ΔT 2
为对Pt25 型热电阻测温系统所带来的测温误差,标准铂电阻温度计和标准套管铂电阻温度计均为Pt25 型。表中的AA 代表两个A 线组合成的测量线组,其余组合依次类推。

4 测温系统实测实验
用标准套管铂电阻温度计、长杆型标准铂电阻温度计和工业铂电阻温度计分别和数字多用表组成三个测温系统,并用这三个测温系统进行温度实测实验。
用低温标准套管铂电阻温度计测温系统在-196℃和0℃进行测温实验,分别用普通四芯电缆和同轴裁剪的0. 35mm 高温线作为延长线,实验结果见表4。
表中ΔR1为电压测量端的热电势差通过计算得到的热电阻测量偏差,ΔR2为实际测得的热电阻测量偏差,Δt1为ΔR1通过计算得到的温度测量偏差,Δt2为实际测得的温度测量偏差。

结果表明,测量引线热电势对测温结果影响量Δt1与实际测温偏差Δt2基本一致。
分别用长杆型铂电阻温度计测温系统和工业铂电阻测温系统在-196℃、0℃、100℃和200℃进行测温实验。长杆型铂电阻温度计使用普通四芯电缆作为测量引线,工业铂电阻分别使用普通四芯电缆和同轴裁剪的0. 35mm 高温线作为测量引线。测温系统实测结果见表5。表中长杆标准铂电阻温度计编号为92801( PT25) ,标准套管铂电阻温度计编号为9312
( PT25) ,工业铂电阻温度计为PT100 型温度元件。

实验结果表明长杆型标准铂电阻温度计测温系统在四个测量温度点温度测量偏差均很小,可忽略。经分析,其原因是由于标准铂电阻温度计92801 为长杆型,温度梯度主要分布于热电势能力一致性好的铂引线上,而铂引线的纯度高,热电势一致性极好,铂引线产生的热电势差很小,普通四芯电缆基本处于室温下,室内温度偏差较小,尽管延长线的热电势一致性差,但延长线引起的热电势差还是很小,因此测量引线热电势对长杆型标准铂电阻温度计测温结果的影响很小。
由同轴0. 35mm 高温线和热电阻组成的测温系统,在四个测量点温度测量偏差均很小,表明材质一致性好的测量引线对温度测量结果的影响很小,甚至可忽略。
由四芯同轴电缆线和热电阻组成的测温系统,在高低温测量点温度测量偏差均较大,表明材质一致性差的测量引线对温度测量结果的影响较大。工业铂电阻Pt100 测温系统测量时,被测物体温度为- 196℃,热电势差对测温结果的影响可达到0. 35℃; 被测物体温度为200℃,热电势对测温结果的影响可达到0. 1℃。标准套管铂电阻温度计测温系统测温时,当被测物体的温度为- 196℃,热电势对测温结果的影响可达到1. 50℃,应注意消除测量引线热电势对测量结果影响。
Pt100 测温系统和9312 测温系统使用同种延长线时,由于Pt100 的温度灵敏度约为9312 温度灵敏度的四倍,因此在使用同样的延长线时,热电势对Pt100 测温系统的影响量约为对9312 测温系统影响量的四分之一。
  在实际测温时,长杆型标准铂电阻测温系统在测温不确定度要求不小于0. 01℃时可不考虑热电势对其测温结果的影响。而对于套管型铂电阻和工业热电阻测温系统,应尽量选用热电势差较小的测量引线组进行测量,在测温不确定度要求小于3℃时,需采用热电阻换向测量法消除热电势差影响。在三线制测温系统中,合理的选择测量延长线同样也可减小热电势对测温结果的影响,提高测温准确度。采用热电阻换向测量法进行温度测量,可以消除热电势差引起的温度测量偏差,但缺点是多次测量和计算,麻烦、费时、费力。一般在满足测量要求的情况下,可以采用单向温度测量法,省时、省力。由于热电势差是由测量引线材质的不一致性和引线两端的温度梯度共同作用产生的,因此在选用测量引线时,建议使用同一型号、同一批次、甚至同一线轴上连续截取的纯质导线作为测量线。由于热电势差对测温结果的影响量与测量电流以及热电阻灵敏度成反比,所以在测温时,尽量选择大的测量电流和选用灵敏度大的热电阻,但应注意考虑大的测量电流引起的自热效应对测温结果的影响。

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