热电偶的概述 1.1 热电偶的工作原理 热电偶和热电阻一样,都是用来测量温度的。 热电偶是将两种不同金属或合金金属焊接起来,构成一个闭合回路,利用温差电势原理来测量温度的,当热电偶两种金属的两端有温度差,回路就会产生热电动势,温差越大,热电动势越大,利用测量热电动势这个原理来测量温度。 结构示意图如下: 图1 热电偶测量结构示意图 注意:如上图所示,热电偶是有正负极性的,所以需要确保这些导线连接到正确的极性,否则将会造成明显的测量误差 为了保证热电偶可靠、稳定地工作,安装要求如下: ① 组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固; ② 两个热电极彼此之间应很好地绝缘,以防短路; ③ 补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠; ④ 保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离; ⑤ 热电偶对于外界的干扰比较敏感,因此安装还需要考虑屏蔽的问题。 1.2 热电偶与热电阻的区别 属性 热电阻 热电偶 信号的性质 电阻信号 电压信号 测量范围 低温检测 高温检测 材料 一种金属材料(温度敏感变化的金属材料) 双金属材料在(两种不同的金属,由于温度的变化,在两个不同金属的两端产生电动势差) 测量原理 电阻随温度变化的性质来测量 基于热电效应来测量温度 补偿方式 3线制和4线制接线 内部补偿和外部补偿 电缆接点要求 电阻直接接入可以更精确的避免线路的的损耗 要通过补偿导线直接接入到模板;或补偿导线接到参比接点,然后用铜制导线接到模板 表1 热电偶与热电阻的比较 2. 热电偶的类型和可用模板 2.1热电偶类型 根据使用材料的不同,分不同类型的热电偶,以分度号区分,分度号代表温度范围,且代表每种分度号的热电偶具体多少温度输出多少毫伏的电压,热电偶的分度号有主要有以下几种。 分度号 温度范围(℃) 两种金属材料 B型 0~1820 铂铑—铂铑 C型 0~2315 钨3稀土—钨26 稀土 E型 -270~1000 镍铬—铜镍 J型 -210~1200 铁—铜镍 K型 -270~1372 镍铬—镍硅 L型 -200~900 铁—铜镍 N型 -270~1300 镍铬硅—镍硅 R型 -50~1769 铂铑—铂 S型 -50~1769 铂铑—铂 T型 -270~400 铜—铜镍 U型 -270~600 铜—铜镍 表2 分度号对照表 2.2可用的模板 CPU类型 模板类型 支持热电偶类型 S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0(8点) E,J,K,L,N 6ES7 331-7KB02-0AB0(2点) E,J,K,L,N 6ES7 331-7PF11-0AB0(8点) B,C,E,J,K,L,N,R,S,T,U S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0(8点) B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 6ES7 431-7QH00-0AB0(16点) B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 6ES7 431-7KF00-0AB0(8点) B,E,J,K,L,N,R,S,T,U 表3 S7 300/400 支持热电偶的模板及对应热电偶类型 3. 热电偶的补偿接线 3.1 补偿方式 热电偶测量温度时要求冷端的温度保持不变,这样产生的热电势大小才与测量温度呈一定的比例关系。若测量时冷端的环境温度变化,将严重影响测量的准确性,所以需要对冷端温度变化造成的影响采取一定补偿的措施。 由于热电偶的材料一般都比较贵重(特别是采用贵金属时),而测温点到控制仪表的距离都很远,为了节省热电偶材料,降低成本可以用补偿导线延伸冷端到温度比较稳定的控制室内,但补偿导线的材质要和热电偶的导线材质相同。热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极,使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上,它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响,不起补偿作用。因此,还需采用其他修正方法来补偿冷端温度变化造成的影响,补偿方式见下表。 温度补偿方式 说 明 接 线 内部补偿 使用模板的内部温度为参比接点进行补偿,再由模板进行处理。 直接用补偿导线连接热电偶到模拟量模板输入端。 外部补偿 补偿盒 使用补偿盒采集并补偿参比接点温度,不需要模板进行处理。 可以使用铜质导线连接参比接点和模拟量模板输入端。 热电阻 使用热电阻采集参比接点温度,再由模板进行处理。 如果参比接点温度恒定可以不要热电阻参考 表4 各类补偿方式 3.2各补偿方式接线 3.2.1内部补偿 内部补偿是在输入模板的端子上建立参比接点,所以需要将热电偶直接连接到模板的输入端,或通过补偿导线间接的连接到输入端。每个通道组必须接相同类型的热电偶,连接示意图如下。 CPU类型 支持内部补偿模板类型 可连接热电偶个数 S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0 最多8个(4种类型,同通道组必须相同) 6ES7 331-7KB02-0AB0 最多2个(1种类型,同通道组必须相同) 6ES7 331-7PF11-0AB0 最多8个(8种类型) S7-400 6ES7 431-7KF00-0AB0 最多8个(8种类型) 表5 支持内部补偿的模板及可接热电偶个数 图2 内部补偿接线 注1:模板6ES7 331-7KF02-0AB0和6ES7 331-7KB02-0AB0需要短接补偿端COMP+(10)和Mana(11),其它模板无。 3.2.2 外部补偿—补偿盒 补偿盒方式是通过补偿盒获取热电偶的参比接点的温度,但补偿盒必须安装在热电偶的参比接点处。 补偿盒必须单独供电,电源模块必须具有充分的噪声滤波功能,例如使用接地电缆屏蔽。 补偿盒包含一个桥接电路,固定参比接点温度标定,如果实际温度与补偿温度有偏差,桥接热敏电阻会发生变化,产生正的或者负的补偿电压叠加到测量电势差信号上,从而达到补偿调节的目的。 补偿盒采用参比接点温度为0℃的补偿盒,推荐使用西门子带集成电源装置的补偿盒,订货号如下表。 推荐使用的补偿盒 订货号 带有集成电源装置的参比端,用于导轨安装 M72166-V V V V V 辅助电源 B1 230VAC B2 110VAC B3 24VAC B424VDC 连接到热电偶 1 L型 2 J型 3 K型 4 S型 5 R型 6 U型 7 T型 参考温度 00 0℃ 表6 西门子参比接点的补偿盒订货数据 图3 S7-300模板支持接线方式 图3 类型:铠装热电偶通过补偿导线连接到参比接点,再用铜质导线连接参比接点和模板的输入端子构成回路,同时由一个补偿盒对模板连接的所有热电偶进行公共补偿,补偿盒的9,8端子连接到模板的补偿端COMP+(10)和Mana(11),所以模板的所有通道必须连接同类型的热电偶。 图4 S7-400模板支持接线方式 图4 类型:模板的各个通道单独连接一个补偿盒,补偿盒通过热电偶的补偿导线直接连接到模板的输入端子构成回路,所以模板的每个通道都可以使用模板支持类型的热电偶,但是每个通道都需要补偿盒。 CPU类型 支持外部补偿盒补偿模板类型 可连接热电偶个数 S7-300 6ES7 331-7KF02-0AB0 最多8个(同类型) 6ES7 331-7KB02-0AB0 最多2个(同类型) S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多8个(类型可不同) 6ES7 431-7QH00-0AB0 最多16个(类型可不同) 表7 支持外部补偿盒补偿的模板及可接热电偶个数 3.2.3 外部补偿—热电阻 热电阻方式是通过外接电阻温度计获取热电偶的参比接点的温度,再由模板处理然后进行温度补偿,同样热电阻必须安装在热电偶的参比接点处。 图5 S7-300模板支持方式 图5类型:参比接点电阻温度计pt100的四根线接到模板的35,36,37,38端子,对应(M+,M-,I+,I-),可测参比接点出温度范围为-25℃到85℃, 图6 S7-400模板支持方式 图6类型:参比接点电阻温度计的四根线接到模板的通道0,占用通道。 以上这两种方式,参比接点到模板的线可以用铜质导线,由于做公共补偿,只能接同类型的热电偶。 CPU类型 支持热电阻补偿模板类型 可连接热电偶个数 S7-300 6ES7 331-7PF11-0AB0 最多8个(同类型) S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多6个(同类型) 6ES7 431-7QH00-0AB0 最多14个(同类型) 表8 支持铠装热电阻补偿的模板及可接热电偶个数 3.2.4外部补偿—固定温度 如果外部参比接点的温度已知且固定,可以通过选择相应的补偿方式由模板内部处理补偿,组态设置详见下章节。 CPU类型 支持固定温度补偿模板类型 可连接热电偶个数 可设定温度范围 S7-300 6ES7 331-7PF11-0AB0 最多8个(同类型) 0℃或50℃ S7-400 6ES7 431-1KF10-0AB0 最多8个(同类型) -273.15℃~327.67℃ 6ES7 431-7QH00-0AB0 最多16个(同类型) -273.15℃~327.67℃ 6ES7 431-7KF00-0AB0 最多8个(同类型) -273.15℃~327.67℃ 从上表可以看出,300的模板只支持参比接点的温度为0℃或50℃两种,而400的模板支持可变温度范围,且范围大。 3.2.4混合补偿—热电阻和固定温度补偿 另外,除单独补偿方式外,可以使用相同参比接点给多个模板,通过电阻温度计进行外部补偿,S7-400的模板支持这种方式,补偿示意图如下。 补偿过程:如图所示,模板2和1 有公共的参比接点,模板1进行外部电阻温度计补偿方式,由CPU读取RTD的温度,然后使用系统功能SFC55(WR_PARM)将温度值写入到模板2中,模板2选择固定温度补偿的方式。 SFC55只能对模板的动态参数进行修改,模拟量输入模板的静态参数(数据记录0)和动态参数(数据记录1)的参数及数据记录1的结构如下: 参数 数据记录号 参数分配方式 SFC55 STEP7 用于中断的目标CPU 0 否 是 测量方法 0 否 是 测量范围 0 否 是 诊断 0 否 是 温度单位 0 否 是 温度系统 0 否 是 噪声抑制 0 否 是 滤波 0 否 是 参比接点 0 否 是 周期结束中断 0 否 是 诊断中断启用 1 是 是 硬件中断启用 1 是 是 参考温度 1 是 是 上限 1 是 是 下限 1 是 是 以6ES7 431-7QH00-0AB0 模拟量输入模板为例,程序块SFC55调用: 图9 SFC55系统块调用 当M0.0上升沿使能时,将写入的参数从MB100~MB166传递到输入地址为100开始的模板,修改其数据记录1的参数,同时也将参比接点的温度也写入模板的设定位置。 参数 声明 数据类型 描述 REQ INPUT BOOL REQ=1,写请求,上升沿信号。 IOID INPUT BYTE 地址区域的标识号:外设输入=B#16#54; 外设输出=B#16#55; 外设输入/输出混合,如果地址相同,指定为B#16#54,不同则指定最低地址的区域ID。 LADDR INPUT WORD 模板的逻辑地址(初始地址),如果混合模板,指定两个地址中的较低的一个。 RECNUM INPUT BYTE 数据记录号,参考模板数据手册。 RECORD INPUT ANY 需要传送的数据记录存放区。 RET_VAL OUTPUT INT 故障代码。 BUSY OUTPUT BOOL BUSY=1,写操作未完成。 表11 各参数的说明 4. 热电偶的信号处理方式 4.1 硬件组态设置 首先要在硬件组态选择与外部补偿接线一致的measuring type(测量类型),measuring range(测量范围),reference junction(参比接点类型)和reference temperature(参比接点温度)的参数,如下各图所示。 对于S7-300的模板,组态如图10和11所示,只需要选择测量类型和测量范围(分度类型),补偿方式包含在测量类型中。比如:参比接点固定温度补偿方式,测量类型选择 TC-L00C(参比接点温度固定为0℃) 或 TC-L50C(参比接点温度固定为50℃),再选择分度类型,组态就完成。 对于S7-400的模板,组态如图12和13所示,测量类型中选择TC-L方式,测量范围中选择与实际热电偶类型一致的分度号,参比接点的选择。比如:参比接点固定温度的方式,测量类型和测量范围选择完后,在参比接点选择ref.temp(参考温度),然后在reference temperature框(参考温度)内填写参比接点的固定,组态就完成,或者是共享补偿方式,可以用SFC55动态传输温度参数。 400模板组态中Reference junction 参数 说 明 none 无补偿 internet 模板内部补偿 Ref. temp 参比接点温度固定已知补偿 4.2 测量方式和转换处理 CPU类型 测量方法 说 明 300CPU TC-I 内部补偿 TC-E 外部补偿 TC-IL 线性,内部补偿 TC-EL 线性,外部补偿 TC-L00C 线性,参比接点温度保持在0°C TC-L50C 线性,参比接点温度保持在50°C 400CPU TC-L 线性 注:测量方式中:I :内部补偿,E:外部补偿,L:线性处理。 线性化方式(TC-IL/EL/L00C/L50C/L) 线性化方式下,由模板内部根据所选择的热电偶类型的特性进行线性处理,可以使用L PIW xxx 直接读入,则将获得十进制的温度值,精度为0.1。例如:读进来的 十进制值为2345,则对应的温度值为234.5℃。 非线性化方式(TC-I/E) 对于非线性化的设置,此设置类似80Mv的电压测量,CPU得到的是0~27648之间的一个十进制数值,即0~80Mv 对应0~27648,需要转换成相应Mv信号,然后通过对照表查找温度。 综上所述,如果想得到所测的温度值,选择线性化方式的设置比较方便;如果仅需要得到Mv信号,可以选择非线性化方式的设置。