熱電偶在家電產(chǎn)品能效檢測(cè)中的使用注意事項(xiàng)

楊玉齋 邵光達(dá) 陳劍 張少君

（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院 北京 100088）

1 前言

在家用電器能效檢測(cè)領(lǐng)域里（以下簡(jiǎn)稱(chēng)能效檢測(cè)）涉及到溫度參數(shù)的測(cè)量，其中有一部分產(chǎn)品通常使用的測(cè)量裝置是熱電偶，例如電冰箱耗電量、熱水器24小時(shí)固有系數(shù)、電飯鍋熱效率、微波爐微波功能及燒烤功能等能效測(cè)試項(xiàng)目。熱電偶測(cè)量溫度的主要優(yōu)點(diǎn)為：測(cè)量范圍廣，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱慣性小，信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)和控制。盡管熱電偶測(cè)量溫度具有上述描述的很多優(yōu)點(diǎn)，但是如果熱電偶安裝或使用不當(dāng)仍然會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，影響最終的測(cè)試結(jié)果。因此在上述能效檢測(cè)中正確的使用熱電偶是其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，下面通過(guò)介紹熱電偶的工作原理、熱電偶種類(lèi)和相應(yīng)特點(diǎn)、以及熱電偶使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，使熱電偶使用者能夠了解熱電偶的有關(guān)基本知識(shí)，并正確的使用和管理熱電偶，避免熱電偶不當(dāng)使用影響到最終的檢測(cè)結(jié)果。

2 熱電偶的簡(jiǎn)單工作原理

最簡(jiǎn)單的熱電偶測(cè)量回路由兩種不同金屬或合金A、B組成，測(cè)量線路見(jiàn)圖1所示，A、B稱(chēng)為熱電極，它們的一端通常焊接在一起形成接點(diǎn)1，成為測(cè)量點(diǎn)（工作端或熱端），另一端接點(diǎn)2稱(chēng)為參考端（自由端或冷端）。測(cè)溫時(shí)，將熱電偶的測(cè)量端置于被測(cè)溫場(chǎng)中，其參考端恒定在某一溫度下，然后通過(guò)連接導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶回路中就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。用測(cè)量?jī)x表測(cè)的電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值后，便可以間接得到相應(yīng)的溫度或者直接由測(cè)量?jī)x表指示出溫度。

3 能效檢測(cè)中常用到的熱電偶種類(lèi)和其特點(diǎn)

家用電器能效檢測(cè)中通常使用K型（鎳鉻-鎳硅）、T型（銅-康銅）和J型（鐵-銅鎳）熱電偶，其中T型熱電偶最為常用，下面分別介紹具體的使用場(chǎng)所和特點(diǎn)。

K型熱電偶是一種應(yīng)用十分廣泛的高溫廉價(jià)金屬熱電偶，測(cè)溫范圍為-50℃～1300℃，這種熱電偶具有較好的抗氧化性能，可以在氧化性氣氛或空氣中長(zhǎng)期使用，在真空及惰性氣體中僅能短期使用。在500℃以上，不宜在還原性氣氛以及硫、硫化物的氣氛中使用。K型熱電偶不足之處是穩(wěn)定性差，如果長(zhǎng)期在高溫下使用，由于合金中溶質(zhì)元素的擇優(yōu)氧化會(huì)使熱電特性不穩(wěn)定；大約在250℃～550℃范圍內(nèi)，由于存在短短有序結(jié)構(gòu)，熱電勢(shì)出現(xiàn)與加熱程序有關(guān)的不規(guī)則變化，及升溫檢定與降溫檢定結(jié)果不一致；在150℃-200℃內(nèi)，K型熱電偶負(fù)極容易發(fā)生極性轉(zhuǎn)變。上述這些原因均導(dǎo)致熱電勢(shì)不穩(wěn)定。

圖1 熱電偶的測(cè)溫線路

圖2

圖3

T型熱電偶是一種準(zhǔn)確度高的廉金屬熱電偶，所用的銅和康銅材料都容易提純，復(fù)制性好，銅純度高，無(wú)應(yīng)力。T型熱電偶不足之處是銅容易被氧化，所以不得在超過(guò)350℃的氧化性氣氛中使用。

J型熱電偶的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)可以在氧化性、惰性氣氛、真空及還原性氣氛中使用，測(cè)溫范圍為-40℃～+750℃，J型熱電偶的缺點(diǎn)是在濕氣中使用容易生銹，低于0℃可能出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，它的準(zhǔn)確度和均勻性不如T型熱電偶。

4 熱電偶在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題和對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

4.1 熱電偶在使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。

大多數(shù)使用者會(huì)誤認(rèn)為熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)單，用一句話簡(jiǎn)單的概括為“熱電偶兩根線，接上就完事”,就是因?yàn)檫@樣的錯(cuò)誤理解使得使用者對(duì)熱電偶的原理和使用的注意事項(xiàng)不了解，疏忽平時(shí)對(duì)熱電偶的管理，使得熱電偶在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)下面列舉的一些問(wèn)題：

(1)熱電偶測(cè)量端不規(guī)范，如測(cè)量端過(guò)長(zhǎng)、被氧化或沒(méi)有進(jìn)行焊接處理。

(2)沒(méi)有根據(jù)被測(cè)環(huán)境的溫度選用合適的熱電偶，如熱電偶的外部絕緣材料超出了使用溫度。

(3)在測(cè)量溫度動(dòng)態(tài)變化快的場(chǎng)合，使用了動(dòng)態(tài)溫差大的熱電偶以及儀表。

注：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度變化后，由于熱電偶的熱慣性和儀表的機(jī)械慣性，使測(cè)量?jī)x表來(lái)不及立即指示出變化了的溫度，由此引起的測(cè)量誤差稱(chēng)為動(dòng)態(tài)誤差，也稱(chēng)為熱響應(yīng)時(shí)間。

(4)沒(méi)有對(duì)熱電偶的平常使用進(jìn)行有效管理，新制作的熱電偶沒(méi)有進(jìn)行檢定和有效的確認(rèn)，經(jīng)常使用的熱電偶沒(méi)有相應(yīng)的措施來(lái)驗(yàn)證其特性是否發(fā)生變化。

(5)在熱電偶的測(cè)量回路中沒(méi)有采取有效的防干擾的措施。

4.2 熱電偶使用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

上述熱電偶使用中出現(xiàn)的情況會(huì)不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響呢？下面通過(guò)具體的能效實(shí)驗(yàn)和相關(guān)分析來(lái)進(jìn)行確認(rèn)。

(1)通過(guò)熱水器24小時(shí)固有能效系數(shù)試驗(yàn)來(lái)確認(rèn)情況a(熱電偶測(cè)量端過(guò)長(zhǎng))對(duì)測(cè)試結(jié)果是否有影響。

熱水器24小時(shí)固有能效系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)前需要將熱電偶緊緊的貼在容器內(nèi)膽外表面上測(cè)量水的溫度，熱電偶的布置的兩種情況見(jiàn)圖2。

圖中圓的中心為需要測(cè)量的位置，圖1(a)顯示的熱電偶測(cè)量端過(guò)長(zhǎng)，圖1(b)熱電偶測(cè)量端規(guī)范，測(cè)量端緊貼在容器內(nèi)膽外表面。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩種情況測(cè)試的結(jié)果有差異，溫度相差超過(guò)2K，已經(jīng)大大超出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫度測(cè)量誤差0.5K的要求。

注：GB 21519-2008 《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及等級(jí)等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量溫度用儀表其準(zhǔn)確度在0.5K以內(nèi)。

(2)通過(guò)微波爐燒烤能效測(cè)試來(lái)確認(rèn)情況b(不能經(jīng)受高溫的熱電偶卻用到了高溫場(chǎng)合)對(duì)測(cè)試結(jié)果是否有影響。

微波爐燒烤能效測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要用熱電偶測(cè)量腔體中心位置的溫度，現(xiàn)分別在中心點(diǎn)布置了兩種熱電偶，一種熱電偶（A熱電偶）經(jīng)確認(rèn)表面材料的耐溫不超過(guò)100℃，另一種熱電偶(B熱電偶) 經(jīng)確認(rèn)表面材料的耐溫溫度不超過(guò)250℃。給微波爐通電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，前幾次實(shí)驗(yàn)兩者測(cè)試的溫度還沒(méi)有太大差異，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，發(fā)現(xiàn)A熱電偶的實(shí)驗(yàn)后表面的材料已經(jīng)軟化，最終兩種熱電偶測(cè)試的溫度相差10℃左右，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫度測(cè)量誤差1℃的要求。

注：GB 24849-2010 《家用和類(lèi)似用途微波爐能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)要求此項(xiàng)目溫度測(cè)量使用的熱電偶，線徑不超過(guò)0.3mm，在0℃～100℃溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確度應(yīng)為0.5℃，在100℃～300℃溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確度應(yīng)為±1℃。

(3)仍然通過(guò)微波爐燒烤能效測(cè)試來(lái)確認(rèn)情況c(在測(cè)量溫度動(dòng)態(tài)變化快的場(chǎng)合，使用了動(dòng)態(tài)溫差大的熱電偶和儀表)對(duì)測(cè)試結(jié)果是否有影響。

使用兩種不同的測(cè)量溫度儀器來(lái)測(cè)量腔體中心位置的溫度，分別為測(cè)量?jī)x器A和測(cè)量?jī)x器B，兩者的動(dòng)態(tài)特性不同，儀器A相比儀器B能夠比較快得指示出變化后的溫度。兩者使用的熱電偶種類(lèi)相同，熱電偶布置在微波爐腔體的中心位置。測(cè)試前腔體內(nèi)溫度平衡至環(huán)境溫度，兩種測(cè)試設(shè)備測(cè)的溫度均為20℃，微波爐工作后，腔內(nèi)的溫度變化非常快，在5分鐘內(nèi)，從20℃能夠上升至170℃左右，儀器A能夠及時(shí)的指示出變化了的溫度，儀器B測(cè)得溫度有些滯后，5分鐘時(shí)兩者測(cè)試的溫度相差7℃，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫度測(cè)量誤差1℃的要求。

(4)對(duì)于情況d（沒(méi)有對(duì)熱電偶的使用進(jìn)行有效管理）是否對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響可以運(yùn)用熱電偶遵循的均質(zhì)導(dǎo)體定律來(lái)說(shuō)明，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則，測(cè)量結(jié)果與長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。然而，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉價(jià)金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場(chǎng)合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為寄生電勢(shì)。由寄生電勢(shì)引起的誤差稱(chēng)為不均質(zhì)誤差。 可見(jiàn)不同品牌和不同批次的的熱電偶還是有差異的，而且熱電偶將隨其種類(lèi)、直徑、使用溫度、氣氛、時(shí)間的不同而變化劣化現(xiàn)象，是一個(gè)量變過(guò)程，對(duì)其定量很困難，如果沒(méi)有對(duì)熱電偶進(jìn)行有效的管理有可能會(huì)造成熱電偶不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)象。

(5)對(duì)于情況e（在熱電偶的測(cè)量回路中沒(méi)有采取有效的防干擾的措施）主要因?yàn)槿绻麩犭娕紲y(cè)量回路附近有大功率的電動(dòng)機(jī)、變壓器、強(qiáng)電流導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，在熱電偶的測(cè)量回路中產(chǎn)生附件電動(dòng)勢(shì)，造成測(cè)量誤差。而大部分家用電器都存在電磁干擾現(xiàn)象，例如電磁爐對(duì)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的干擾就很厲害，曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中遇到過(guò)一種情況，在電磁爐不工作的時(shí)候，熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)是正常的，當(dāng)電磁爐工作的時(shí)候，熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)出現(xiàn)異常現(xiàn)象。

5 熱電偶的使用和管理建議

從以上方面可以看出熱電偶的使用并不象開(kāi)頭提到的那樣接上就完事那樣簡(jiǎn)單，在使用過(guò)程中還是有很多方面需要注意，下面針對(duì)以上出現(xiàn)的情況分別給出正確使用與管理熱電偶的建議：

(1)按照?qǐng)D3（a）、(b)、(c)所示及其要求對(duì)熱電偶測(cè)量端進(jìn)行處理。

首先將熱電偶從末端剝開(kāi)內(nèi)部絕緣約1.5mm.,如有外部絕緣則從距末端15mm剝開(kāi)，然后將兩電極頂端并齊或絞成麻花狀，絞成麻花狀時(shí)纏繞的圈數(shù)不宜超過(guò)3圈，否則測(cè)量端就不是頂端而向上移動(dòng)。然后進(jìn)行焊接，常用的焊接方法有點(diǎn)焊和絞狀點(diǎn)焊。

(2)測(cè)試前一定要確認(rèn)熱電偶絕緣層材料的使用溫度，根據(jù)測(cè)試的溫度選用合適的熱電偶。絕緣材料種類(lèi)很多，一般分為有機(jī)和無(wú)機(jī)絕緣兩大類(lèi)，下表1列舉了一部分經(jīng)用到的絕緣材料的使用溫度。

(3)在測(cè)量溫度動(dòng)態(tài)變化快的場(chǎng)合，應(yīng)選用符合要求的動(dòng)態(tài)誤差小的熱電偶及儀表。

(4)應(yīng)對(duì)熱電偶進(jìn)行日常管理，新購(gòu)置的熱電偶線應(yīng)該有廠家提供的符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的證明，新制備的熱電偶在投入使用前應(yīng)進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)或有效確認(rèn)，對(duì)使用中的熱電偶應(yīng)進(jìn)行定期檢定/校準(zhǔn)和期間核查。期間核查可以利用0℃的冰水混合物和100℃的沸水作為標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行。

(5)為避免干擾，測(cè)試用電源與熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)的供電電源盡量應(yīng)隔離開(kāi)，測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)安裝相應(yīng)的防干擾裝置，避免電磁干擾影響到溫度的測(cè)量。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，熱電偶的使用并不象開(kāi)頭提到的那樣接上就完事那樣簡(jiǎn)單，如果安裝或使用不當(dāng)仍然會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，影響最終的能效測(cè)試結(jié)果。因此使用者應(yīng)該對(duì)熱電偶的工作原理和熱電偶種類(lèi)和其特點(diǎn)有一定了解，正確的使用和管理熱電偶，避免由于熱電偶不當(dāng)使用影響到最終的檢測(cè)結(jié)果。

表1 熱電偶絕緣材料的使用溫度

[1]GB 21519-2008 《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及等級(jí)等級(jí)》

[2]GB 24849-2010 《家用和類(lèi)似用途微波爐能效限定值及能效等級(jí)》

[3]GB/T 8059系列標(biāo)準(zhǔn)

[4]CTL-OP108

[5]中國(guó)計(jì)量出版社 《溫度計(jì)量》