热电偶测温时为什么要进行冷端补偿(S7-300、400 热电偶的接线及信号处理)
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热电偶测温时为什么要进行冷端补偿(S7-300、400 热电偶的接线及信号处理)
S7-300/400 热电偶的接线及信号处理
1.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 | ||
B4 | 24VDC | ||
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：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℃ |
表9支持固定温度补偿的模板及可接热电偶个数
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。
图7 混合外部补偿
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 |
表10 S7-400模拟量输入模板的参数
图8 S7-400模拟量输入模板的数据记录1的结构
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； |
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。
图10 S7-300模板测量方式示意图
图11 S7-300模板测量范围示意图
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。
图12 S7-400模板组态图1
图13 S7-400模板组态图2
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 |
表12 参比接点参数说明
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 |
表13 测量方式各参数的说明及处理
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。
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