淺析工業熱電偶測溫回路原理及故障分析

朱杰 劉元

【摘 要】本文重點介紹了熱電偶信號采集和處理的基本原理，本文總結了常見熱電偶故障現象，針對上述現象根據筆者經驗列舉出了熱電偶故障排查的方向，為檢修工作中經常接觸熱電偶儀表的工程技術人員提供借鑒和解決問題的思路。

【關鍵詞】熱電偶；熱電勢；賽貝克效應

引言

熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理基于賽貝克（Seeback）效應，即指在兩種不同導電材料構成的閉合回路中，當兩個接點溫度不同時，回路中產生的電勢使熱能轉變為電能的一種現象現象。常見工業熱電偶通常采用2種不同材料的均質金屬絲頂端焊接而成，當熱電偶的兩端處于不同的溫度環境下，其2根金屬絲之間會產生熱電動勢，不同材料的均質金屬絲在不同的溫度下產生的熱電勢不同，但熱電勢與熱電偶兩端溫差之間始終保持嚴格的單值函數關系。用導線將上述由于兩端溫度不同而產生的微弱熱電動勢（mV級）引入測量裝置內經過函數逆運算即可得到當前測點的溫度。

1熱電偶的主要特點及分度號

鑒于其工作原理，常見工業用熱電偶由以下主要特點：結構簡單、抗震、測量精度高（鉑銠10-鉑精度可達±0.25%t）、測溫范圍大（-270℃～2800℃）、熱慣性小響應迅速、機械強度高，耐壓性能好、使用壽命長等，因此標準化熱電偶在工業生產活動中應用極其廣泛，根據熱電偶2個極的不同材質，通常將標準化熱電偶分為S、B、E、K、R、J、T七種，工業生產中工程師綜合考慮應用場合的測溫范圍、響應時間要求、熱偶絲或護套管的抗化學腐蝕能力、成本、抗磨損或抗震要求等因素來選擇適用型號的熱電偶。

2.工業生產中熱電偶信號的采集和處理

在工業生產過程中溫度傳感器通過感應溫度參數輸出電壓、電流或者電阻信號由溫度采集設備接收并轉換處理，根據是否需要供電，可以將溫度傳感器分為有源和無源傳感器兩種。熱電偶作為無源傳感器、不需要額外工作電源即可將溫度信號直接轉換為熱電勢信號輸出。

熱電勢信號為mV級的微弱電信號，其采集模塊的信號采集原理通常基于平衡電橋技術和恒流源技術。平衡電橋技術比較經典，其缺點是體積大、速度漫、調校煩瑣、穩定性差、抗干擾能力差；恒流源技術是比較先進的采集技術，速度快、穩定性高，抗干擾能力強。所以采用平衡電橋技術的采集模塊一般體積較大，在強電磁干擾環境下采集數據波動大（抗干擾能力差）。

熱電偶的熱電勢是熱電偶工作端兩端溫度差值的函數，而不是熱電偶冷端與工作端溫度差值的函數。當熱電偶其中一個工作端保持溫度恒定且已知，則通過采集熱電偶產生的熱電勢對照分度表或代入線性函數即可推算出另一端的實際溫度。為了保持工作參考端的溫度恒定，采用與熱電偶熱電性能相近的廉價材料做成的補償導線將熱電偶延長至恒溫區域，實驗室條件下通常將其延伸入冰桶中以保持參考端結點處于0℃。在實際工業生產過程中，若對熱電偶測溫精度要求不高，通常采用PT100熱電阻測量室溫代替冰桶作為熱電偶的冷端補償溫度，即所謂冷端補償。如果熱電偶參考端所處的室溫恒定近似恒定，測量溫度精度要求不高的前提下，也可以采用手動輸入當前室溫的方式為熱電偶進行冷端補償。判斷一個熱電偶模塊是否具自帶冷端補償功能，工程上最簡單的方法是將采集模塊的2個熱電偶信號輸入端子在線短接，如果此時顯示終端溫度值為室溫，則該模塊自帶溫度補償功能。

在采集模塊的信號輸入端口的電路中通常采用差動輸入方式，因該方式具有較強抑制共模干擾的能力。通過工業生產過程中的觀察，筆者發現有些儀表在較復雜的環境下，盡管輸入信號沒有任何異常，但采集結果卻異常得讓我們無法理解，其實是共模干擾的問題。信號輸入模塊經過調理后即開始按照熱電勢信號與溫度信號的函數關系轉換，由于熱電偶的電阻---溫度是非線性的，在精度要求不高的情況下可以模擬線性化處理，但這種溫度轉換精度不高。另外可以采用多項式系數進行線性逼近，但其精度取決于修正逼近多項式的階數，溫度范圍越寬，多項式階數越高，計算處理時間也越長。當多項式階數過高時，為了節省運算處理時間，通常采用的方式是分度表查表轉換是先采集熱電偶的熱電勢值，根據當前熱電勢的數值查對應型號的分度表，最后轉換成溫度信號，這種方法轉換精度高，適合各種信號熱電偶的非線性轉換。

3.工業熱電偶的常見故障以及原因分析

1）熱電偶顯示值比實際溫度低

先查看熱電偶信號處理模塊是否與熱電偶型號對應，若確認型號正確，將熱電偶2個接線端子短接，查看示數是否變化，若無變化，則查看熱電偶的接線端子是否銹蝕，檢查溫度補償回路是否正常；若采用軟件補償，則查看軟件設定的室溫值是否正確。檢查熱電偶安裝位置和深度，檢查補償導線材質是否與熱電偶2個極材質對應，若以上均無異常，可能熱電偶本身材料變質，可嘗試更換新熱電偶。

2）熱電偶顯示值比實際溫度高

短接熱電偶接線端子，檢查補償回路工作是否正常；檢查補償導線材質是否與熱電偶2極對應；檢查熱電偶回路中是否有額外電勢串擾，比如補償導線與熱電偶單極之間結點焊材是否滿足要求，屏蔽層是否正確接地。若以上均無異常，可嘗試更換熱電偶后觀察示數是否正常，若以上均無異常，可能熱電偶本身材料變質，可嘗試更換新熱電偶。

3）熱電偶顯示值突增突減甚至超量程或顯示壞點

檢查熱電偶以及補償回路接線是否牢固；檢查熱電偶補償導線是否松動；檢查屏蔽層接地是否正確，檢查熱電偶信號采集處理模塊的電源對地電壓是否穩定，嘗試將熱電偶的屏蔽層斷開接地使其對地浮空，若此時顯示值穩定，則可能是屏蔽層接地電壓浮動或者熱電偶信號采集處理單元的供電電源對地電壓頻繁波動引起；若以上均無異常，可能熱電偶內部斷線或故障，可嘗試更換新熱電偶。

4結論

通過本文對熱電偶原理介紹，我們可以將熱電偶看做是一種差分溫度測量原件，其將工作端兩端溫度差轉化為電信號輸出，熱電偶輸出的電壓與其兩端的溫度差是一一對應的函數關系。在采集處理熱電偶信號時必須建立一個參考點，本文列舉了常見的3種參考點建立方式并總結了常見熱電偶故障現象，根據筆者經驗總結出了熱電偶故障排查的方向，為檢修工作中經常接觸熱電偶儀表的工程技術人員提供借鑒和解決問題的思路。

參考文獻：

[1]維基百科.熱電偶溫度計的設計

[2]劉洋，吳雙.熱電偶溫度傳感器的研究與發展現狀.2003.11

（作者單位：1.中國核電工程有限公司；

2.中國核電工程有限公司華東分公司）