淺談工業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、種類及結構形式、冷端的溫度補償等；結合實際，淺談工業熱電偶常見故障分析及處理。

關鍵詞：工業熱電偶；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

熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。其優點是：

①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質的影響。

②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可邊續測量，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體兩端連成回路時，如兩連接點溫度不同，就會在其回路內產生熱電勢的物理現象。不同成分的導體構成熱電偶的兩電極，兩接點的溫度差越大，產生的熱電勢就越大。熱電偶的三個基本原理為：均質導體定律，中間導體定律，中間溫度定律。

1.2 熱電偶的種類及結構形成

（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。所調用標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、允許誤差、并有統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量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒有統一的分度表，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，并指定S、B、E、K、R、J、T七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。

（2）熱電偶的結構形式 為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對它的結構要求如下：

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很好地絕緣，以防短路；

③ 補償導線與熱電偶自由端的連接要方便可靠；

④ 保護套管應能保證熱電極與有害介質充分隔離。

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，為了節省熱 電偶材料，降低成本，通常采用補償導線把熱電偶的冷 端（自由端）延伸到溫度比較穩定的控制室內，連接到 儀表端子上。必須指出，熱電偶補償導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。

熱電偶的補償導線：

熱電偶的補償導線實際上是一對在規定溫度范圍（一般為0～100℃）內使用的熱電偶絲。采用與熱電偶電極材料相同的金屬材料或在規定溫度范圍內，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值，保證產品合格，而且還可節省熱電偶的材料消耗，既節省資金又能保證產品質量。除了補償導線接反，用錯及接線松動引起的常見誤差外（處理方法：正確使用補償導線，緊固接線端子），安裝不正確，熱導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，熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應為保護管直徑的8～10倍；熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內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用耐火泥或石棉繩等絕熱物質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℃；熱電偶的安裝應盡可能避開強磁場和強電場，所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同一根導管內以免引入干擾造成誤差；熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內，當用熱電偶測量管內氣體溫度時，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。所以應盡可能采用熱電極較細、保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時，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，應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱系數成反比，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，除增加傳熱系數以外，最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導熱性能好的材料，管壁薄、內徑小的保護套管。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，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。