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
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属性 |
热电阻 |
热电偶 |
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信号的性质 |
电阻信号 |
电压信号 |
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测量范围 |
低温检测 |
高温检测 |
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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） |
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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 |
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补偿方式 |
3线制和4线制接线 |
内部补偿和外部补偿 |
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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。
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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 |
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E型 |
-270~1000 |
镍铬—铜镍 |
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J型 |
-210~1200 |
铁—铜镍 |
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K型 |
-270~1372 |
镍铬—镍硅 |
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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
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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。
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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 | ||
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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。
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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。
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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； 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。
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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