引線熱電勢(shì)對(duì)熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)結(jié)果影響分析

摘要：熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)廣泛采用單向電流恒定激勵(lì)，通過(guò)測(cè)量熱電阻兩端電勢(shì)差獲得熱電阻阻值的方法進(jìn)行溫度測(cè)量。而此類測(cè)溫系統(tǒng)受到測(cè)量引線熱電勢(shì)的影響，所測(cè)得熱電阻的阻值往往與實(shí)際阻值存在一定的偏差，從而影響測(cè)溫結(jié)果。對(duì)電路中熱電勢(shì)對(duì)熱電阻測(cè)溫結(jié)果產(chǎn)生影響的機(jī)理進(jìn)行了分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果，提出了減小或消除熱電勢(shì)差對(duì)測(cè)溫結(jié)果影響的建議。
1引言
        在工業(yè)過(guò)程控制和實(shí)驗(yàn)室測(cè)溫場(chǎng)合一般采用單向電流恒定激勵(lì)熱電阻的測(cè)溫方法，用這種測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫時(shí)，測(cè)得的結(jié)果可能會(huì)與實(shí)際溫度存在一定偏差，特別在高溫測(cè)量和低溫測(cè)量時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在其它條件不變的情況下，更換測(cè)量引線其溫度偏差的大小也隨之改變。本文通過(guò)熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量電路接線圖，分析了電路中影響測(cè)溫結(jié)果的熱電勢(shì)差產(chǎn)生原因。通過(guò)建立熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分析了電路中熱電勢(shì)對(duì)熱電阻測(cè)溫結(jié)果產(chǎn)生影響的機(jī)理。通過(guò)熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了分析結(jié)果,提出了減小或消除熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)中熱電勢(shì)差對(duì)測(cè)溫結(jié)果影響的方法田。
2熱電勢(shì)差對(duì)熱電阻測(cè)溫結(jié)果的影響
為了便于量化分析,以典型熱電阻測(cè)量系統(tǒng)為研究對(duì)象，進(jìn)行分析。
2.1典型熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)
        典型的熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)有標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)和工業(yè)熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)電阻溫度計(jì)以標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)為常見，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)又分為長(zhǎng)桿型和套管型兩種,如圖1、圖2所示。

        熱電阻的測(cè)量系統(tǒng)由熱電阻、延長(zhǎng)線和測(cè)量?jī)x.表構(gòu)成,其中熱電阻又由感溫絲和引出線組成。長(zhǎng)桿型和套管型兩種形式的標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)均是由底端的鉑感溫絲作為溫度敏感部分，鉑感溫絲的兩端分別通過(guò)兩根鉑引出線引出石英或玻璃封裝管，鉑引出線的另一端連接四根導(dǎo)線用于連接測(cè)量?jī)x表。長(zhǎng)桿型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于-200℃以上的精度高溫度測(cè)量，套管型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)用于0℃以下溫度的精度高測(cè)量，工業(yè)熱電阻主要有工業(yè)鉑電阻和工業(yè)銅電阻。長(zhǎng)桿型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)配.有較長(zhǎng)的測(cè)量引線可直接連接測(cè)量?jī)x表，而套管型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)、工業(yè)鉑電阻(元件)和工業(yè)銅電阻(元件)均需延長(zhǎng)引出線后連接測(cè)量?jī)x表。
2.2測(cè)量電路模型及熱電勢(shì)影響分析.
       以四線制熱電阻測(cè)溫為例建立溫度測(cè)量系統(tǒng)的電路模型，并對(duì)其進(jìn)行分析。如圖3所示，熱電阻的感溫絲A處在等溫被測(cè)環(huán)境T中，測(cè)量?jī)x表處于室溫環(huán)境T2中,T為T到T2的過(guò)渡段等溫區(qū)溫度。圖中B1~B4為焊接至感溫絲的引出線,C1~C4為延長(zhǎng)線。引出線一端與感溫絲相連，另一端通過(guò)延長(zhǎng)線連接至測(cè)量?jī)x表。測(cè)量?jī)x表測(cè)量端子與熱電阻感溫絲之間存在溫差，溫差主要分布于引出線或延.長(zhǎng)線上。引出線或延長(zhǎng)線產(chǎn)生熱電勢(shì)的能力不一致，在兩端存在溫差的情況下，各導(dǎo)線產(chǎn)生熱電勢(shì)大.小不一致，在測(cè)量端產(chǎn)生電勢(shì)差,對(duì)測(cè)溫結(jié)果產(chǎn)生影響。

        如圖4所示，引出線和延長(zhǎng)線的兩端均可能存在由熱電勢(shì)引起的電勢(shì)差，其中由引出線的熱電勢(shì)引起的端子2、端子3間電勢(shì)差ΔE_B為

由延長(zhǎng)線的熱電勢(shì)引起的端子2、端子3間電勢(shì)差ΔE_C為
ΔEc=e_c2-e_c3(2)
式中:eC2———延長(zhǎng)線C2兩端的熱電勢(shì)差，mV;eC3———延長(zhǎng)線C3兩端的熱電勢(shì)差，mV。
則端子2、端子3之間的熱電勢(shì)差ΔE為
ΔE=ΔE_B+ΔE_C(3)
實(shí)際測(cè)得的電阻值R'為

式中:E₁---熱電阻正向測(cè)溫時(shí)電壓測(cè)量端的熱電.勢(shì)差,mV。
熱電阻反向測(cè)溫(熱電阻引線對(duì)調(diào))時(shí)，熱電阻測(cè)量值為

      由式(7)可知，熱電勢(shì)差對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響量與熱電勢(shì)差的大小成正比，與測(cè)量電流和熱電阻的溫度系數(shù)成反比。由式(12)可知，采用熱電阻換向測(cè)量求平均值的方法可以消除熱電勢(shì)差對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響。
3測(cè)量引線間的熱電勢(shì)差
       溫度測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量引線間熱電勢(shì)差的大小與測(cè)量引線兩端的溫差和測(cè)量引線產(chǎn)生熱電勢(shì)能力的一致性有關(guān)，當(dāng)測(cè)量引線的測(cè)溫端與測(cè)量端的溫差不變時(shí),可通過(guò)選擇合適的測(cè)量引線減小測(cè)量端的熱電勢(shì)差。為了解和掌握各種型號(hào)測(cè)量引線間產(chǎn)生熱電勢(shì)差的大小，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。選取不同型號(hào)導(dǎo)線，分別組合成若干組測(cè)量線，每組測(cè)量線由兩根導(dǎo)線組成。將每--組測(cè)量線的測(cè)溫端短路后置于-1969、0C、100C和200C環(huán)境中，將測(cè)量線的測(cè)量端連接數(shù)字多用表電壓測(cè)量端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1、表2、表3。
表1同種型號(hào)同軸裁剪引線間的熱電勢(shì)差

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,同型同線軸裁剪的測(cè)量引線組的熱電勢(shì)差相對(duì)最小，普通四芯電纜組成的測(cè)量引線組的熱電勢(shì)差相對(duì)最大，混合配對(duì)的測(cè)量引線的熱電勢(shì)也較大。
       表中，A代表0.35mm高溫線,B代表0.2mm裸銅線,C代表AF-1鍍銀銅線,D代表0.2mm鍍銀銅線,E代表AF-1裸銅線,F代表0.35mm裸銅線,G代表普通四芯電纜。表中ΔT₁為測(cè)量引線熱電勢(shì)差對(duì)Pt100型熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)所帶來(lái)的測(cè)溫誤差ΔT₂為對(duì)Pt25型熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)所帶來(lái)的測(cè)溫誤差,標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(jì)均為Pt25型。表中的AA代表兩個(gè)A線組合成的測(cè)量線組,其余組合依次類推。


其中G測(cè)試的是四芯線其中兩芯之間的數(shù)據(jù)

4測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn).
       用標(biāo)準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(jì)、長(zhǎng)桿型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)和工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)分別和數(shù)字多用表組成三個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，并用這三個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行溫度實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。
       用低溫標(biāo)準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)在-196℃和0℃進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)，分別用普通四芯電纜和同軸裁剪的0.35mm高溫線作為延長(zhǎng)線,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。
      表中ΔR₁為電壓測(cè)量端的熱電勢(shì)差通過(guò)計(jì)算得到的熱電阻測(cè)量偏差ΔR₂為實(shí)際測(cè)得的熱電阻測(cè)量偏差Δt₁，為ΔR₁通過(guò)計(jì)算得到的溫度測(cè)量偏差,Δt₂為實(shí)際測(cè)得的溫度測(cè)量偏差。

       結(jié)果表明，測(cè)量引線熱電勢(shì)對(duì)測(cè)溫結(jié)果影響量Δt₁與實(shí)際測(cè)溫偏差Δt₂基本一致。
       分別用長(zhǎng)桿型鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)和工業(yè)鉑電阻測(cè)溫系統(tǒng)在-196℃、0℃、100℃和200℃進(jìn)行測(cè)溫實(shí)驗(yàn)。長(zhǎng)桿型鉑電阻溫度計(jì)使用普通四芯電纜作為測(cè)量引線，工業(yè)鉑電阻分別使用普通四芯電纜和同軸裁剪的0.35mm高溫線作為測(cè)量引線。測(cè)溫系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果見表5。表中長(zhǎng)桿標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)編號(hào)為92801(PT25)，標(biāo)準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(jì)編號(hào)為9312(PT25),工業(yè)鉑電阻溫度計(jì)為PT100型溫度元件。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明長(zhǎng)桿型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫系統(tǒng)在四個(gè)測(cè)量溫度點(diǎn)溫度測(cè)量偏差均很小,可忽略。經(jīng)分析，其原因是由于標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)92801為長(zhǎng)桿型，溫度梯度主要分布于熱電勢(shì)能力一致性好的鉑引線上，而鉑引線的純度高,熱電勢(shì)一致性極好，鉑引線產(chǎn)生的熱電勢(shì)差很小，普通四芯電纜基本處于室溫下，室內(nèi)溫度偏差較小，盡管延長(zhǎng)線的熱電勢(shì)一致性差,但延長(zhǎng)線引起的熱電勢(shì)差還是很小,因此測(cè)量引線熱電勢(shì)對(duì)長(zhǎng)桿型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫結(jié)果的影響很小。
       由同軸0.35mm高溫線和熱電阻組成的測(cè)溫系統(tǒng)，在四個(gè)測(cè)量點(diǎn)溫度測(cè)量偏差均很小，表明材質(zhì)一致性好的測(cè)量引線對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響很小，甚至可忽略。
       由四芯同軸電纜線和熱電阻組成的測(cè)溫系統(tǒng)，在高低溫測(cè)量點(diǎn)溫度測(cè)量偏差均較大,表明材質(zhì)一致性差的測(cè)量引線對(duì)溫度測(cè)量結(jié)果的影響較大。工業(yè)鉑電阻Pt100測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量時(shí)，被測(cè)物體溫度為-196℃，熱電勢(shì)差對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響可達(dá)到0.35℃;被測(cè)物體溫度為200℃,熱電勢(shì)對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響可達(dá)到0.1C。標(biāo)準(zhǔn)套管鉑電阻溫度計(jì)測(cè)溫.系統(tǒng)測(cè)溫時(shí)，當(dāng)被測(cè)物體的溫度為-196℃,熱電勢(shì)對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響可達(dá)到1.50℃,應(yīng)注意消除測(cè)量引線熱電勢(shì)對(duì)測(cè)量結(jié)果影響。
       Pt100測(cè)溫系統(tǒng)和9312測(cè)溫系統(tǒng)使用同種延長(zhǎng)線時(shí)，由于Pt100的溫度靈敏度約為9312溫度靈敏度的四倍,因此在使用同樣的延長(zhǎng)線時(shí),熱電勢(shì)對(duì)Pt100測(cè)溫系統(tǒng)的影響量約為對(duì)9312測(cè)溫系統(tǒng)影響量的四分之一。
5結(jié)束語(yǔ)
       在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，長(zhǎng)桿型標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻測(cè)溫系統(tǒng)在測(cè)溫不確定度要求不小于0.01C時(shí)可不考慮熱電勢(shì)對(duì)其測(cè)溫結(jié)果的影響。而對(duì)于套管型鉑電阻和工業(yè)熱.電阻測(cè)溫系統(tǒng)，應(yīng)盡量選用熱電勢(shì)差較小的測(cè)量引線組進(jìn)行測(cè)量，在測(cè)溫不確定度要求小于3C時(shí)，需采用熱電阻換向測(cè)量法消除熱電勢(shì)差影響。在三線制測(cè)溫，系統(tǒng)中,合理的選擇測(cè)量延長(zhǎng)線同樣也可減小熱電勢(shì)對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響，提高測(cè)溫精度。
采用熱電阻換向測(cè)量法進(jìn)行溫度測(cè)量，可以消除熱電勢(shì)差引起的溫度測(cè)量偏差，但缺點(diǎn)是多次測(cè)量和計(jì)算,麻煩、費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。一般在滿足測(cè)量要求的情況下，可以采用單向溫度測(cè)量法,省時(shí)、省力。由于熱電勢(shì)差是由測(cè)量引線材質(zhì)的不一致性和引線兩端的溫度梯度共同作用產(chǎn)生的，因此在選用測(cè)量引線時(shí),建議使用同一型號(hào)、同一批次、甚至同--線軸上連續(xù)截取的純質(zhì)導(dǎo)線作為測(cè)量線。由于熱電勢(shì)差對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響量與測(cè)量電流以及熱電阻靈敏度成反比，所以在測(cè)溫時(shí)，盡量選擇大的測(cè)量電流和選用靈敏度大的熱電阻，但應(yīng)注意考慮大的測(cè)量電流引起的自熱效應(yīng)對(duì)測(cè)溫結(jié)果的影響。