淺談工業(yè)熱電偶測溫原理及故障分析

張禮維+張雯

摘 要：介紹了熱電偶基本測溫原理、種類及結(jié)構(gòu)形式、冷端的溫度補償?shù)?；結(jié)合實際，淺談工業(yè)熱電偶常見故障分析及處理。

關(guān)鍵詞：工業(yè)熱電偶；原理；故障分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.035

1 熱電偶測溫原理

熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：

①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。

②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269℃（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800℃（如鎢-錸）。

③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。

1.1 熱電偶測溫基本原理

熱電偶的測溫原理是基于兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連成回路時，如兩連接點溫度不同，就會在其回路內(nèi)產(chǎn)生熱電勢的物理現(xiàn)象。不同成分的導(dǎo)體構(gòu)成熱電偶的兩電極，兩接點的溫度差越大，產(chǎn)生的熱電勢就越大。熱電偶的三個基本原理為：均質(zhì)導(dǎo)體定律，中間導(dǎo)體定律，中間溫度定律。

1.2 熱電偶的種類及結(jié)構(gòu)形成

（1）熱電偶的種類

常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。所調(diào)用標準熱電偶是指國家標準規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)一的分度表，主要用于某些特殊場合的測量。標準化熱電偶 我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。

（2）熱電偶的結(jié)構(gòu)形式 為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對它的結(jié)構(gòu)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 補償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

④ 保護套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。

1.3 熱電偶冷端的溫度補償

由于熱電偶的材料一般都比較貴重（特別是采用貴 金屬時），而測溫點到儀表的距離都很遠，為了節(jié)省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補償導(dǎo)線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩(wěn)定的控制室內(nèi)，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導(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，不起補償作用。因此，還需采用其他修正方法來補償冷端溫度t0≠0℃時對測溫的影響。

熱電偶的補償導(dǎo)線：

熱電偶的補償導(dǎo)線實際上是一對在規(guī)定溫度范圍（一般為0～100℃）內(nèi)使用的熱電偶絲。采用與熱電偶電極材料相同的金屬材料或在規(guī)定溫度范圍內(nèi)，熱電特性與所配接的熱電偶相同，且易于獲得的價格低廉的金屬材料做成，在測溫中作為熱電偶與二次儀表的連接導(dǎo)線使用。

2 熱電偶常見故障處理方法

正確使用熱電偶不但可以準確得到溫度的數(shù)值，保證產(chǎn)品合格，而且還可節(jié)省熱電偶的材料消耗，既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。除了補償導(dǎo)線接反，用錯及接線松動引起的常見誤差外（處理方法：正確使用補償導(dǎo)線，緊固接線端子），安裝不正確，熱導(dǎo)率和時間滯后等誤差，它們是熱電偶在使用中的主要誤差。

2.1 安裝不當引入的誤差

如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實溫度等，換句話說，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護管直徑的8～10倍；熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使爐內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃；熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強磁場和強電場，所以不應(yīng)把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi)，當用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。

2.2 絕緣變差而引入的誤差

如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。

2.3 熱惰性引入的誤差

由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進行快速測量時這種影響尤為突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環(huán)境許可時，甚至可將保護管取去。由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示的溫度雖然波動很小，但實際爐溫的波動可能很大。為了準確的測量溫度，應(yīng)當選擇時間常數(shù)小的熱電偶。時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護套管。在較精密的溫度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時校正及更換。

2.4 熱阻誤差

高溫時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。