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。
熱電偶是將兩種不同金屬或合金金屬焊接起來，構(gòu)成一個閉合回路，利用溫差電勢原理來測量溫度的，當(dāng)熱電偶兩種金屬的兩端有溫度差，回路就會產(chǎn)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(jié)構(gòu)示意圖如下：
圖1 熱電偶測量結(jié)構(gòu)示意圖
注意：如上圖所示，熱電偶是有正負(fù)極性的，所以需要確保這些導(dǎo)線連接到正確的極性，否則將會造成明顯的測量誤差
為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)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(yīng)很好地絕緣，以防短路；
③ 補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；
④ 保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離；
⑤ 熱電偶對于外界的干擾比較敏感，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(qū)別
屬性
熱電阻
熱電偶
信號的性質(zhì)
電阻信號
電壓信號
測量范圍
低溫檢測
高溫檢測
材料
一種金屬材料（溫度敏感變化的金屬材料）
雙金屬材料在（兩種不同的金屬，由于溫度的變化，在兩個不同金屬的兩端產(chǎn)生電動勢差）
測量原理
電阻隨溫度變化的性質(zhì)來測量
基于熱電效應(yīng)來測量溫度
補(bǔ)償方式
3線制和4線制接線
內(nèi)部補(bǔ)償和外部補(bǔ)償
電纜接點(diǎn)要求
電阻直接接入可以更精確的避免線路的的損耗
要通過補(bǔ)償導(dǎo)線直接接入到模板；或補(bǔ)償導(dǎo)線接到參比接點(diǎn)，然后用銅制導(dǎo)線接到模板
表1 熱電偶與熱電阻的比較
2. 熱電偶的類型和可用模板
2.1熱電偶類型
根據(jù)使用材料的不同，分不同類型的熱電偶，以分度號區(qū)分，分度號代表溫度范圍，且代表每種分度號的熱電偶具體多少溫度輸出多少毫伏的電壓，熱電偶的分度號有主要有以下幾種。
分度號
溫度范圍(℃)
兩種金屬材料
B型
0~1820
鉑銠—鉑銠
C型
0~2315
鎢3稀土—鎢26 稀土
E型
-270~1000
鎳鉻—銅鎳
J型
-210~1200
鐵—銅鎳
K型
-270~1372
鎳鉻—鎳硅
L型
-200~900
鐵—銅鎳
N型
-270~1300
鎳鉻硅—鎳硅
R型
-50~1769
鉑銠—鉑
S型
-50~1769
鉑銠—鉑
T型
-270~400
銅—銅鎳
U型
-270~600
銅—銅鎳
表2 分度號對照表
2.2可用的模板
CPU類型
模板類型
支持熱電偶類型
S7-300
6ES7 331-7KF02-0AB0（8點(diǎn)）
E,J,K,L,N
6ES7 331-7KB02-0AB0（2點(diǎn)）
E,J,K,L,N
6ES7 331-7PF11-0AB0（8點(diǎn)）
B,C,E,J,K,L,N,R,S,T,U
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0（8點(diǎn)）
B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
6ES7 431-7QH00-0AB0（16點(diǎn)）
B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
6ES7 431-7KF00-0AB0（8點(diǎn)）
B,E,J,K,L,N,R,S,T,U
表3 S7 300/400 支持熱電偶的模板及對應(yīng)熱電偶類型
3. 熱電偶的補(bǔ)償接線
3.1 補(bǔ)償方式
熱電偶測量溫度時要求冷端的溫度保持不變，這樣產(chǎn)生的熱電勢大小才與測量溫度呈一定的比例關(guān)系。若測量時冷端的環(huán)境溫度變化，將嚴(yán)重影響測量的準(zhǔn)確性，所以需要對冷端溫度變化造成的影響采取一定補(bǔ)償?shù)拇胧?br /> 由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴金屬時），而測溫點(diǎn)到控制儀表的距離都很遠(yuǎn)，為了節(jié)省熱電偶材料，降低成本可以用補(bǔ)償導(dǎo)線延伸冷端到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，但補(bǔ)償導(dǎo)線的材質(zhì)要和熱電偶的導(dǎo)線材質(zhì)相同。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線的作用只起延伸熱電極，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(bǔ)償作用。因此，還需采用其他修正方法來補(bǔ)償冷端溫度變化造成的影響，補(bǔ)償方式見下表。
溫度補(bǔ)償方式
說 明
接 線
內(nèi)部補(bǔ)償
使用模板的內(nèi)部溫度為參比接點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，再由模板進(jìn)行處理。
直接用補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶到模擬量模板輸入端。
外部補(bǔ)償
補(bǔ)償盒
使用補(bǔ)償盒采集并補(bǔ)償參比接點(diǎn)溫度，不需要模板進(jìn)行處理。
可以使用銅質(zhì)導(dǎo)線連接參比接點(diǎn)和模擬量模板輸入端。
熱電阻
使用熱電阻采集參比接點(diǎn)溫度，再由模板進(jìn)行處理。
如果參比接點(diǎn)溫度恒定可以不要熱電阻參考
表4 各類補(bǔ)償方式
3.2各補(bǔ)償方式接線
3.2.1內(nèi)部補(bǔ)償
內(nèi)部補(bǔ)償是在輸入模板的端子上建立參比接點(diǎn)，所以需要將熱電偶直接連接到模板的輸入端，或通過補(bǔ)償導(dǎo)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。
CPU類型
支持內(nèi)部補(bǔ)償模板類型
可連接熱電偶個數(shù)
S7-300
6ES7 331-7KF02-0AB0
最多8個（4種類型，同通道組必須相同）
6ES7 331-7KB02-0AB0
最多2個（1種類型，同通道組必須相同）
6ES7 331-7PF11-0AB0
最多8個（8種類型）
S7-400
6ES7 431-7KF00-0AB0
最多8個（8種類型）
表5 支持內(nèi)部補(bǔ)償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€數(shù)
圖2 內(nèi)部補(bǔ)償接線
注1：模板6ES7 331-7KF02-0AB0和6ES7 331-7KB02-0AB0需要短接補(bǔ)償端COMP+(10)和Mana(11)，其它模板無。
3.2.2 外部補(bǔ)償—補(bǔ)償盒
補(bǔ)償盒方式是通過補(bǔ)償盒獲取熱電偶的參比接點(diǎn)的溫度，但補(bǔ)償盒必須安裝在熱電偶的參比接點(diǎn)處。
補(bǔ)償盒必須單獨(dú)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(bǔ)償盒包含一個橋接電路，固定參比接點(diǎn)溫度標(biāo)定，如果實(shí)際溫度與補(bǔ)償溫度有偏差，橋接熱敏電阻會發(fā)生變化，產(chǎn)生正的或者負(fù)的補(bǔ)償電壓疊加到測量電勢差信號上，從而達(dá)到補(bǔ)償調(diào)節(jié)的目的。
補(bǔ)償盒采用參比接點(diǎn)溫度為0℃的補(bǔ)償盒，推薦使用西門子帶集成電源裝置的補(bǔ)償盒，訂貨號如下表。
推薦使用的補(bǔ)償盒
訂貨號
帶有集成電源裝置的參比端，用于導(dǎo)軌安裝
M72166-V V V V V
輔助電源
B1 230VAC
B2 110VAC
B3 24VAC
B424VDC
連接到熱電偶
1 L型
2 J型
3 K型
4 S型
5 R型
6 U型
7 T型
參考溫度
00
0℃
表6 西門子參比接點(diǎn)的補(bǔ)償盒訂貨數(shù)據(jù)
圖3 S7-300模板支持接線方式
圖3 類型：鎧裝熱電偶通過補(bǔ)償導(dǎo)線連接到參比接點(diǎn)，再用銅質(zhì)導(dǎo)線連接參比接點(diǎn)和模板的輸入端子構(gòu)成回路，同時由一個補(bǔ)償盒對模板連接的所有熱電偶進(jìn)行公共補(bǔ)償，補(bǔ)償盒的9，8端子連接到模板的補(bǔ)償端COMP+(10)和Mana(11)，所以模板的所有通道必須連接同類型的熱電偶。
圖4 S7-400模板支持接線方式
圖4 類型：模板的各個通道單獨(dú)連接一個補(bǔ)償盒，補(bǔ)償盒通過熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線直接連接到模板的輸入端子構(gòu)成回路，所以模板的每個通道都可以使用模板支持類型的熱電偶，但是每個通道都需要補(bǔ)償盒。
CPU類型
支持外部補(bǔ)償盒補(bǔ)償模板類型
可連接熱電偶個數(shù)
S7-300
6ES7 331-7KF02-0AB0
最多8個（同類型）
6ES7 331-7KB02-0AB0
最多2個（同類型）
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0
最多8個（類型可不同）
6ES7 431-7QH00-0AB0
最多16個（類型可不同）
表7 支持外部補(bǔ)償盒補(bǔ)償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€數(shù)
3.2.3 外部補(bǔ)償—熱電阻
熱電阻方式是通過外接電阻溫度計(jì)獲取熱電偶的參比接點(diǎn)的溫度，再由模板處理然后進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同樣熱電阻必須安裝在熱電偶的參比接點(diǎn)處。
圖5 S7-300模板支持方式
圖5類型：參比接點(diǎn)電阻溫度計(jì)pt100的四根線接到模板的35，36，37，38端子，對應(yīng)（M+，M-，I+，I-），可測參比接點(diǎn)出溫度范圍為-25℃到85℃，
圖6 S7-400模板支持方式
圖6類型：參比接點(diǎn)電阻溫度計(jì)的四根線接到模板的通道0，占用通道。
以上這兩種方式，參比接點(diǎn)到模板的線可以用銅質(zhì)導(dǎo)線，由于做公共補(bǔ)償，只能接同類型的熱電偶。
CPU類型
支持熱電阻補(bǔ)償模板類型
可連接熱電偶個數(shù)
S7-300
6ES7 331-7PF11-0AB0
最多8個（同類型）
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0
最多6個（同類型）
6ES7 431-7QH00-0AB0
最多14個（同類型）
表8 支持鎧裝熱電阻補(bǔ)償?shù)哪０寮翱山訜犭娕紓€數(shù)
3.2.4外部補(bǔ)償—固定溫度
如果外部參比接點(diǎn)的溫度已知且固定，可以通過選擇相應(yīng)的補(bǔ)償方式由模板內(nèi)部處理補(bǔ)償，組態(tài)設(shè)置詳見下章節(jié)。
CPU類型
支持固定溫度補(bǔ)償模板類型
可連接熱電偶個數(shù)
可設(shè)定溫度范圍
S7-300
6ES7 331-7PF11-0AB0
最多8個（同類型）
0℃或50℃
S7-400
6ES7 431-1KF10-0AB0
最多8個（同類型）
-273.15℃~327.67℃
6ES7 431-7QH00-0AB0
最多16個（同類型）
-273.15℃~327.67℃
6ES7 431-7KF00-0AB0
最多8個（同類型）
-273.15℃~327.67℃
從上表可以看出，300的模板只支持參比接點(diǎn)的溫度為0℃或50℃兩種，而400的模板支持可變溫度范圍，且范圍大。
3.2.4混合補(bǔ)償—熱電阻和固定溫度補(bǔ)償
另外，除單獨(dú)補(bǔ)償方式外，可以使用相同參比接點(diǎn)給多個模板，通過電阻溫度計(jì)進(jìn)行外部補(bǔ)償，S7-400的模板支持這種方式，補(bǔ)償示意圖如下。
補(bǔ)償過程：如圖所示，模板2和1 有公共的參比接點(diǎn)，模板1進(jìn)行外部電阻溫度計(jì)補(bǔ)償方式，由CPU讀取RTD的溫度，然后使用系統(tǒng)功能SFC55(WR_PARM)將溫度值寫入到模板2中，模板2選擇固定溫度補(bǔ)償?shù)姆绞健?br /> SFC55只能對模板的動態(tài)參數(shù)進(jìn)行修改，模擬量輸入模板的靜態(tài)參數(shù)（數(shù)據(jù)記錄0）和動態(tài)參數(shù)（數(shù)據(jù)記錄1）的參數(shù)及數(shù)據(jù)記錄1的結(jié)構(gòu)如下：
參數(shù)
數(shù)據(jù)記錄號
參數(shù)分配方式
SFC55
STEP7
用于中斷的目標(biāo)CPU
0
否
是
測量方法
0
否
是
測量范圍
0
否
是
診斷
0
否
是
溫度單位
0
否
是
溫度系統(tǒng)
0
否
是
噪聲抑制
0
否
是
濾波
0
否
是
參比接點(diǎn)
0
否
是
周期結(jié)束中斷
0
否
是
診斷中斷啟用
1
是
是
硬件中斷啟用
1
是
是
參考溫度
1
是
是
上限
1
是
是
下限
1
是
是
以6ES7 431-7QH00-0AB0 模擬量輸入模板為例，程序塊SFC55調(diào)用：
圖9 SFC55系統(tǒng)塊調(diào)用
當(dāng)M0.0上升沿使能時，將寫入的參數(shù)從MB100~MB166傳遞到輸入地址為100開始的模板，修改其數(shù)據(jù)記錄1的參數(shù)，同時也將參比接點(diǎn)的溫度也寫入模板的設(shè)定位置。
參數(shù)
聲明
數(shù)據(jù)類型
描述
REQ
INPUT
BOOL
REQ=1，寫請求，上升沿信號。
IOID
INPUT
BYTE
地址區(qū)域的標(biāo)識號：外設(shè)輸入=B#16#54；
外設(shè)輸出=B#16#55；
外設(shè)輸入/輸出混合，如果地址相同，指定為B#16#54，不同則指定最低地址的區(qū)域ID。
LADDR
INPUT
WORD
模板的邏輯地址（初始地址），如果混合模板，指定兩個地址中的較低的一個。
RECNUM
INPUT
BYTE
數(shù)據(jù)記錄號，參考模板數(shù)據(jù)手冊。
RECORD
INPUT
ANY
需要傳送的數(shù)據(jù)記錄存放區(qū)。
RET_VAL
OUTPUT
INT
故障代碼。
BUSY
OUTPUT
BOOL
BUSY=1，寫操作未完成。
表11 各參數(shù)的說明
4. 熱電偶的信號處理方式
4.1 硬件組態(tài)設(shè)置
首先要在硬件組態(tài)選擇與外部補(bǔ)償接線一致的measuring type（測量類型），measuring range（測量范圍），reference junction（參比接點(diǎn)類型）和reference temperature（參比接點(diǎn)溫度）的參數(shù)，如下各圖所示。
對于S7-300的模板，組態(tài)如圖10和11所示，只需要選擇測量類型和測量范圍（分度類型），補(bǔ)償方式包含在測量類型中。比如：參比接點(diǎn)固定溫度補(bǔ)償方式，測量類型選擇 TC-L00C（參比接點(diǎn)溫度固定為0℃） 或 TC-L50C（參比接點(diǎn)溫度固定為50℃），再選擇分度類型，組態(tài)就完成。
對于S7-400的模板，組態(tài)如圖12和13所示，測量類型中選擇TC-L方式，測量范圍中選擇與實(shí)際熱電偶類型一致的分度號，參比接點(diǎn)的選擇。比如：參比接點(diǎn)固定溫度的方式，測量類型和測量范圍選擇完后，在參比接點(diǎn)選擇ref.temp（參考溫度），然后在reference temperature框（參考溫度）內(nèi)填寫參比接點(diǎn)的固定，組態(tài)就完成，或者是共享補(bǔ)償方式，可以用SFC55動態(tài)傳輸溫度參數(shù)。
400模板組態(tài)中Reference junction 參數(shù)
說 明
none
無補(bǔ)償
internet
模板內(nèi)部補(bǔ)償
Ref. temp
參比接點(diǎn)溫度固定已知補(bǔ)償
4.2 測量方式和轉(zhuǎn)換處理
CPU類型
測量方法
說 明
300CPU
TC-I
內(nèi)部補(bǔ)償
TC-E
外部補(bǔ)償
TC-IL
線性，內(nèi)部補(bǔ)償
TC-EL
線性，外部補(bǔ)償
TC-L00C
線性，參比接點(diǎn)溫度保持在0°C
TC-L50C
線性，參比接點(diǎn)溫度保持在50°C
400CPU
TC-L 線性
注：測量方式中：I ：內(nèi)部補(bǔ)償，E：外部補(bǔ)償，L：線性處理。
線性化方式（TC-IL/EL/L00C/L50C/L）
線性化方式下，由模板內(nèi)部根據(jù)所選擇的熱電偶類型的特性進(jìn)行線性處理，可以使用L PIW xxx 直接讀入，則將獲得十進(jìn)制的溫度值，精度為0.1。例如：讀進(jìn)來的 十進(jìn)制值為2345，則對應(yīng)的溫度值為234.5℃。
非線性化方式（TC-I/E）
對于非線性化的設(shè)置，此設(shè)置類似80Mv的電壓測量，CPU得到的是0~27648之間的一個十進(jìn)制數(shù)值，即0~80Mv 對應(yīng)0~27648，需要轉(zhuǎn)換成相應(yīng)Mv信號，然后通過對照表查找溫度。
綜上所述，如果想得到所測的溫度值，選擇線性化方式的設(shè)置比較方便；如果僅需要得到Mv信號，可以選擇非線性化方式的設(shè)置。