1.熱電偶的概述

1.1 熱電偶的工作原理

熱電偶和熱電阻一樣，都是用來測量溫度的。

熱電偶是将兩種不同金屬或合金金屬焊接起來，構成一個閉合回路，利用溫差電勢原理來測量溫度的，當熱電偶兩種金屬的兩端有溫度差，回路就會産生熱電動勢，溫差越大，熱電動勢越大，利用測量熱電動勢這個原理來測量溫度。

結構示意圖如下：

圖1 熱電偶測量結構示意圖

注意：如上圖所示，熱電偶是有正負極性的，所以需要确保這些導線連接到正确的極性，否則将會造成明顯的測量誤差

為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，安裝要求如下：

① 組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固;

② 兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路;

③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;

④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離;

⑤ 熱電偶對于外界的幹擾比較敏感，因此安裝還需要考慮屏蔽的問題。

1.2 熱電偶與熱電阻的區别

表1 熱電偶與熱電阻的比較

2. 熱電偶的類型和可用模闆

2.1熱電偶類型

根據使用材料的不同，分不同類型的熱電偶，以分度号區分，分度号代表溫度範圍，且代表每種分度号的熱電偶具體多少溫度輸出多少毫伏的電壓，熱電偶的分度号有主要有以下幾種。

表2 分度号對照表

2.2可用的模闆CPU類型模闆類型支持熱電偶類型

表3 S7 300/400 支持熱電偶的模闆及對應熱電偶類型

3. 熱電偶的補償接線

3.1 補償方式

熱電偶測量溫度時要求冷端的溫度保持不變，這樣産生的熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關系。若測量時冷端的環境溫度變化，将嚴重影響測量的準确性，所以需要對冷端溫度變化造成的影響采取一定補償的措施。

由于熱電偶的材料一般都比較貴重(特别是采用貴金屬時)，而測溫點到控制儀表的距離都很遠，為了節省熱電偶材料，降低成本可以用補償導線延伸冷端到溫度比較穩定的控制室内，但補償導線的材質要和熱電偶的導線材質相同。熱電偶補償導線的作用隻起延伸熱電極，使熱電偶的冷端移動到控制室的儀表端子上，它本身并不能消除冷端溫度變化對測溫的影響，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度變化造成的影響，補償方式見下表。

表4 各類補償方式

3.2各補償方式接線

3.2.1内部補償

内部補償是在輸入模闆的端子上建立參比接點，所以需要将熱電偶直接連接到模闆的輸入端，或通過補償導線間接的連接到輸入端。每個通道組必須接相同類型的熱電偶，連接示意圖如下。

表5 支持内部補償的模闆及可接熱電偶個數

圖2 内部補償接線

注1：模闆6ES7 331-7KF02-0AB0和6ES7 331-7KB02-0AB0需要短接補償端COMP (10)和Mana(11)，其它模闆無。

3.2.2 外部補償—補償盒

補償盒方式是通過補償盒獲取熱電偶的參比接點的溫度，但補償盒必須安裝在熱電偶的參比接點處。

補償盒必須單獨供電，電源模塊必須具有充分的噪聲濾波功能，例如使用接地電纜屏蔽。

補償盒包含一個橋接電路，固定參比接點溫度标定，如果實際溫度與補償溫度有偏差，橋接熱敏電阻會發生變化，産生正的或者負的補償電壓疊加到測量電勢差信号上，從而達到補償調節的目的。

補償盒采用參比接點溫度為0℃的補償盒，推薦使用西門子帶集成電源裝置的補償盒，訂貨号如下表。

表6 西門子參比接點的補償盒訂貨數據

圖3 S7-300模闆支持接線方式

圖3 類型：熱電偶通過補償導線連接到參比接點，再用銅質導線連接參比接點和模闆的輸入端子構成回路，同時由一個補償盒對模闆連接的所有熱電偶進行公共補償，補償盒的9，8端子連接到模闆的補償端COMP (10)和Mana(11)，所以模闆的所有通道必須連接同類型的熱電偶。

圖4 S7-400模闆支持接線方式

圖4 類型：模闆的各個通道單獨連接一個補償盒，補償盒通過熱電偶的補償導線直接連接到模闆的輸入端子構成回路，所以模闆的每個通道都可以使用模闆支持類型的熱電偶，但是每個通道都需要補償盒。

表7 支持外部補償盒補償的模闆及可接熱電偶個數

3.2.3 外部補償—熱電阻

熱電阻方式是通過外接電阻溫度計獲取熱電偶的參比接點的溫度，再由模闆處理然後進行溫度補償，同樣熱電阻必須安裝在熱電偶的參比接點處。

圖5 S7-300模闆支持方式

圖5類型：參比接點電阻溫度計pt100的四根線接到模闆的35，36，37，38端子，對應(M ，M-，I ，I-)，可測參比接點出溫度範圍為-25℃到85℃，

圖6 S7-400模闆支持方式

圖6類型：參比接點電阻溫度計的四根線接到模闆的通道0，占用通道。

以上這兩種方式，參比接點到模闆的線可以用銅質導線，由于做公共補償，隻能接同類型的熱電偶。

表8 支持熱電阻補償的模闆及可接熱電偶個數

3.2.4外部補償—固定溫度

如果外部參比接點的溫度已知且固定，可以通過選擇相應的補償方式由模闆内部處理補償，組态設置詳見下章節。 表9支持固定溫度補償的模闆及可接熱電偶個數

從上表可以看出，300的模闆隻支持參比接點的溫度為0℃或50℃兩種，而400的模闆支持可變溫度範圍，且範圍大。

3.2.4混合補償—熱電阻和固定溫度補償

另外，除單獨補償方式外，可以使用相同參比接點給多個模闆，通過電阻溫度計進行外部補償，S7-400的模闆支持這種方式，補償示意圖如下。

圖7 混合外部補償

補償過程：如圖所示，模闆2和1 有公共的參比接點，模闆1進行外部電阻溫度計補償方式，由CPU讀取RTD的溫度，然後使用系統功能SFC55(WR_PARM)将溫度值寫入到模闆2中，模闆2選擇固定溫度補償的方式。

SFC55隻能對模闆的動态參數進行修改，模拟量輸入模闆的靜态參數(數據記錄0)和動态參數(數據記錄1)的參數及數據記錄1的結構如下：

表10 S7-400模拟量輸入模闆的參數

圖8 S7-400模拟量輸入模闆的數據記錄1的結構

以6ES7 431-7QH00-0AB0 模拟量輸入模闆為例，程序塊SFC55調用：

圖9 SFC55系統塊調用

當M0.0上升沿使能時，将寫入的參數從MB100~MB166傳遞到輸入地址為100開始的模闆，修改其數據記錄1的參數，同時也将參比接點的溫度也寫入模闆的設定位置。

表11 各參數的說明

4. 熱電偶的信号處理方式

4.1 硬件組态設置

首先要在硬件組态選擇與外部補償接線一緻的measuring type(測量類型)，measuring range(測量範圍)，reference junction(參比接點類型)和reference temperature(參比接點溫度)的參數，如下各圖所示。

圖10 S7-300模闆測量方式示意圖

圖11 S7-300模闆測量範圍示意圖

對于S7-300的模闆，組态如圖10和11所示，隻需要選擇測量類型和測量範圍(分度類型)，補償方式包含在測量類型中。比如： 參比接點固定溫度補償方式，測量類型選擇 TC-L00C(參比接點溫度固定為0℃) 或 TC-L50C(參比接點溫度固定為50℃)，再選擇分度類型，組态就完成。

圖12 S7-400模闆組态圖1

圖13 S7-400模闆組态圖2

表13 測量方式各參數的說明及處理

注：測量方式中：I ：内部補償，E：外部補償，L：線性處理。

對于S7-400的模闆，組态如圖12和13所示，測量類型中選擇TC-L方式，測量範圍中選擇與實際熱電偶類型一緻的分度号，參比接點的選擇。比如：參比接點固定溫度的方式，測量類型和測量範圍選擇完後，在參比接點選擇ref.temp(參考溫度)，然後在reference temperature框(參考溫度)内填寫參比接點的固定，組态就完成，或者是共享補償方式，可以用SFC55動态傳輸溫度參數。

表12 參比接點參數說明

4.2 測量方式和轉換處理

表13 測量方式各參數的說明及處理

注：測量方式中：I ：内部補償，E：外部補償，L：線性處理。

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