淺析工業(yè)熱電偶測溫回路原理及故障分析

朱杰 劉元

【摘 要】本文重點(diǎn)介紹了熱電偶信號(hào)采集和處理的基本原理，本文總結(jié)了常見熱電偶故障現(xiàn)象，針對上述現(xiàn)象根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)列舉出了熱電偶故障排查的方向，為檢修工作中經(jīng)常接觸熱電偶儀表的工程技術(shù)人員提供借鑒和解決問題的思路。

【關(guān)鍵詞】熱電偶；熱電勢；賽貝克效應(yīng)

引言

熱電偶是工業(yè)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(yīng)，即指在兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回路中產(chǎn)生的電勢使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N現(xiàn)象現(xiàn)象。常見工業(yè)熱電偶通常采用2種不同材料的均質(zhì)金屬絲頂端焊接而成，當(dāng)熱電偶的兩端處于不同的溫度環(huán)境下，其2根金屬絲之間會(huì)產(chǎn)生熱電動(dòng)勢，不同材料的均質(zhì)金屬絲在不同的溫度下產(chǎn)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(yán)格的單值函數(shù)關(guān)系。用導(dǎo)線將上述由于兩端溫度不同而產(chǎn)生的微弱熱電動(dòng)勢（mV級）引入測量裝置內(nèi)經(jīng)過函數(shù)逆運(yùn)算即可得到當(dāng)前測點(diǎn)的溫度。

1熱電偶的主要特點(diǎn)及分度號(hào)

鑒于其工作原理，常見工業(yè)用熱電偶由以下主要特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、抗震、測量精度高（鉑銠10-鉑精度可達(dá)±0.25%t）、測溫范圍大（-270℃～2800℃）、熱慣性小響應(yīng)迅速、機(jī)械強(qiáng)度高，耐壓性能好、使用壽命長等，因此標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中應(yīng)用極其廣泛，根據(jù)熱電偶2個(gè)極的不同材質(zhì)，通常將標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶分為S、B、E、K、R、J、T七種，工業(yè)生產(chǎn)中工程師綜合考慮應(yīng)用場合的測溫范圍、響應(yīng)時(shí)間要求、熱偶絲或護(hù)套管的抗化學(xué)腐蝕能力、成本、抗磨損或抗震要求等因素來選擇適用型號(hào)的熱電偶。

2.工業(yè)生產(chǎn)中熱電偶信號(hào)的采集和處理

在工業(yè)生產(chǎn)過程中溫度傳感器通過感應(yīng)溫度參數(shù)輸出電壓、電流或者電阻信號(hào)由溫度采集設(shè)備接收并轉(zhuǎn)換處理，根據(jù)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(hào)直接轉(zhuǎn)換為熱電勢信號(hào)輸出。

熱電勢信號(hào)為mV級的微弱電信號(hào)，其采集模塊的信號(hào)采集原理通常基于平衡電橋技術(shù)和恒流源技術(shù)。平衡電橋技術(shù)比較經(jīng)典，其缺點(diǎn)是體積大、速度漫、調(diào)校煩瑣、穩(wěn)定性差、抗干擾能力差；恒流源技術(shù)是比較先進(jìn)的采集技術(shù)，速度快、穩(wěn)定性高，抗干擾能力強(qiáng)。所以采用平衡電橋技術(shù)的采集模塊一般體積較大，在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下采集數(shù)據(jù)波動(dòng)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(shù)，而不是熱電偶冷端與工作端溫度差值的函數(shù)。當(dāng)熱電偶其中一個(gè)工作端保持溫度恒定且已知，則通過采集熱電偶產(chǎn)生的熱電勢對照分度表或代入線性函數(shù)即可推算出另一端的實(shí)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(jià)材料做成的補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶延長至恒溫區(qū)域，實(shí)驗(yàn)室條件下通常將其延伸入冰桶中以保持參考端結(jié)點(diǎn)處于0℃。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)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(bǔ)償溫度，即所謂冷端補(bǔ)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(dòng)輸入當(dāng)前室溫的方式為熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償。判斷一個(gè)熱電偶模塊是否具自帶冷端補(bǔ)償功能，工程上最簡單的方法是將采集模塊的2個(gè)熱電偶信號(hào)輸入端子在線短接，如果此時(shí)顯示終端溫度值為室溫，則該模塊自帶溫度補(bǔ)償功能。

在采集模塊的信號(hào)輸入端口的電路中通常采用差動(dòng)輸入方式，因該方式具有較強(qiáng)抑制共模干擾的能力。通過工業(yè)生產(chǎn)過程中的觀察，筆者發(fā)現(xiàn)有些儀表在較復(fù)雜的環(huán)境下，盡管輸入信號(hào)沒有任何異常，但采集結(jié)果卻異常得讓我們無法理解，其實(shí)是共模干擾的問題。信號(hào)輸入模塊經(jīng)過調(diào)理后即開始按照熱電勢信號(hào)與溫度信號(hào)的函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換精度不高。另外可以采用多項(xiàng)式系數(shù)進(jìn)行線性逼近，但其精度取決于修正逼近多項(xiàng)式的階數(shù)，溫度范圍越寬，多項(xiàng)式階數(shù)越高，計(jì)算處理時(shí)間也越長。當(dāng)多項(xiàng)式階數(shù)過高時(shí)，為了節(jié)省運(yùn)算處理時(shí)間，通常采用的方式是分度表查表轉(zhuǎn)換是先采集熱電偶的熱電勢值，根據(jù)當(dāng)前熱電勢的數(shù)值查對應(yīng)型號(hào)的分度表，最后轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)，這種方法轉(zhuǎn)換精度高，適合各種信號(hào)熱電偶的非線性轉(zhuǎn)換。

3.工業(yè)熱電偶的常見故障以及原因分析

1）熱電偶顯示值比實(shí)際溫度低

先查看熱電偶信號(hào)處理模塊是否與熱電偶型號(hào)對應(yīng)，若確認(rèn)型號(hào)正確，將熱電偶2個(gè)接線端子短接，查看示數(shù)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(bǔ)償回路是否正常；若采用軟件補(bǔ)償，則查看軟件設(shè)定的室溫值是否正確。檢查熱電偶安裝位置和深度，檢查補(bǔ)償導(dǎo)線材質(zhì)是否與熱電偶2個(gè)極材質(zhì)對應(yīng)，若以上均無異常，可能熱電偶本身材料變質(zhì)，可嘗試更換新熱電偶。

2）熱電偶顯示值比實(shí)際溫度高

短接熱電偶接線端子，檢查補(bǔ)償回路工作是否正常；檢查補(bǔ)償導(dǎo)線材質(zhì)是否與熱電偶2極對應(yīng)；檢查熱電偶回路中是否有額外電勢串?dāng)_，比如補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶單極之間結(jié)點(diǎn)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(shù)是否正常，若以上均無異常，可能熱電偶本身材料變質(zhì)，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(diǎn)

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

4結(jié)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(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出，熱電偶輸出的電壓與其兩端的溫度差是一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。在采集處理熱電偶信號(hào)時(shí)必須建立一個(gè)參考點(diǎn)，本文列舉了常見的3種參考點(diǎn)建立方式并總結(jié)了常見熱電偶故障現(xiàn)象，根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出了熱電偶故障排查的方向，為檢修工作中經(jīng)常接觸熱電偶儀表的工程技術(shù)人員提供借鑒和解決問題的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]維基百科.熱電偶溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

[2]劉洋，吳雙.熱電偶溫度傳感器的研究與發(fā)展現(xiàn)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）