工業熱電偶測溫原理及故障分析

張利軍

摘要：熱電偶是一種非常重要的測溫元件，具有較為廣泛的測量范圍，且應用原理相對簡單，易于安裝，已經在電力生產行業及其他各類工業領域中實現了規模化應用，然而其在實際應用階段仍然存在諸多問題。下文將簡要介紹工業熱電偶的測溫原理、種類及結構形式，同時結合工程實際，明確常見的工業熱電偶故障問題及處理措施，讓工業熱電偶得以發揮實效。

關鍵詞：工業熱電偶測溫原理故障分析結構形式

中圖分類號： TH811文獻標識碼：A?? 文章編號：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Temperature Measurement Principle and Fault Analysis of Industrial Thermocouple

ZHANG Lijun

（Beijing Guodian Electric Power Co.， Ltd. Shangwan Thermal Power Plant， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017200 China）

Abstract： Thermocouple is a very important temperature measuring element， with a wide range of measurement， and the application principle is relatively simple， easy to install.? It has been widely used in power industry and other industrial fields. However， there are still many problems in the practical application stage. The temperature measuring principle of industrial thermocouple will be briefly introduced below at the same time， combined with the engineering practice， clarify the common industrial thermocouple fault problems and treatment measures， so as to give full play to the actual effect of industrial thermocouple.

Key Words： Industrial thermocouple; Principle of temperature measurement; Failure analysis; Structural style

熱電偶溫度計的主要原理為熱電效應，可以依據熱電效應進行溫度測量，其主要構成結構為熱電偶、顯示儀表及用于儀器連接的導線，如果測溫系統發生了故障問題，則可以借助顯示儀表的示值變化情況予以展現。若熱電偶所輸出的電勢發生異常或無電勢輸出，則可能導致顯示儀表中的示值溫度不穩定，或表現出數值偏高偏低的問題。為此，要求化工儀表維修檢驗人員結合顯示儀表中的實際示數確定相應的故障問題，分析故障原因，據此明確熱電偶及補償導線中所存在的故障問題，并實施充分檢查，以修復設備。

1熱電偶測溫原理

作為一種十分常用的溫度檢測元件，熱電偶具有如下優勢：第一，其測量精度相對較高，可以與被測對象進行直接接觸;第二，免受中間介質的影響;第三，其測量范圍相對較廣，通常可以在-50 ℃～+1600 ℃的溫度區間內實現連續測量，甚至有部分具有特殊性能的熱電偶的最低測量問題可以達到-269 ℃，最高則可以達到+2 800 ℃;第四，可以實現遠距離信號傳輸的目標，實現對于所測區域內溫度的集中檢測，并進行自動化控制，與DCS系統進行充分配合;第五，可以針對局部區域內的溫度狀態實施檢測，其檢測精度可以精確到“點”;第六，可以實現快速的動態響應，熱電偶的結構穩定性較高，不會在測溫過程中出現過為突出的熱慣性，可以實現對于整體測量過程的動態化響應;第七，元件構造簡單，便于使用。熱電偶的主要構成結構為兩種不同的金屬絲，其構造形式十分簡單，且無需受到大小及開頭的限制，在其外部含有保護套管裝置，使用相對便捷。

1.1熱電偶測溫基本原理

熱電偶測溫的基本原理為結合熱電效應原理，可以針對兩種不同類型的金屬導體進行連接，使其得以形成統一的回路。若所連接的亮點溫度不同，則可能在相應的測量回路中產生一定的電動勢能，進而形成電流，也即發生了熱效應。借助這一關系，可以精準測量出裝置中的熱電勢值，以達到良好的生產線溫度管控效果。通常而言，產生熱電偶的熱電勢需要滿足如下條件：首先，要求盡量確保測量介質的性能，使其得以充分滿足熱電偶的熱電特性要求，同時，具備良好的導電性能;其次，要求針對熱電偶參比端及測量端的溫差進行充分管控，以維持一定的溫度差。

1.2熱電偶種類及結構形成

1.2.1熱電偶種類

可以將常見的熱電偶分成標準及非標準熱電偶兩種類型，標準熱電偶是基于國家標準所制定的，可以充分規定熱電勢與溫度的實際關系，達到良好的誤差控制效果，同時，具備統一的標準分度表的熱電偶裝置，可以結合與其相配套的顯示儀表進行綜合使用。至于非標準化熱電偶，其數量級和使用范圍均存在一定限制，且難以達到標準化熱電偶的標準，不具備統一化的分度表，主要在特殊場合測量中得以應用。

1.2.2熱電偶的結構形式

為充分確保熱電偶工作的穩定性，要求針對其結構進行如下設計：首先，要求盡量確保熱電偶不同熱電極焊接的牢固性;其次，為切實規避熱電偶短路問題，要求確保兩熱電極的良好絕緣性能;第三，要求充分保障熱電偶自由端及補償導線連接的緊密性和可靠性;最后，針對熱電極及各類有害介質實施充分隔離，以達到良好的套管保護效果[1]。

1.3熱電偶冷端的溫度補償

工業熱電偶中所使用的材料普遍為貴重材料，若使用了貴金屬材料，則其成本會更高，然而，由于測溫點與儀表裝置的距離通常相對較遠，為達到良好的熱電偶材料節約效果，以相應削弱施工成本，要求充分利用補償導線裝置，以實現對于熱電偶冷端的充分延伸，將導線延伸到具有穩定溫度環境的室內，并連接到儀表端子中。然而，使用熱電偶補償導線時，其作用往往只能起到延伸熱電極的效果，要求將其冷端向控制室中的儀表端子上移動。而熱電偶自身難以達到良好的冷端溫度變化控制效果，且難以充分補償溫度變化情況。熱電偶補償導線往往只能延伸到熱電極中，并據此實現良好的熱電偶冷端移動控制效果，將其移動到控制室的儀表端子位置上，普遍難以充分消除冷端溫度變化的影響，且無法發揮補償作用。為此，要求適當采取其他修正方法，以達到良好的冷端溫度補償效果，削弱其對于測溫的影響。

利用熱電偶的補償導線，可以在一定的溫度范圍內發揮良好的熱電性能優勢，可以實現對于熱電偶電極及金屬材料的有效控制，且所使用的金屬材料價格相對低廉，可以將其作為連接熱電偶及二次儀表裝置的導線。

2熱電偶典型故障問題及處理方法

2.1熱電偶或補償導線短路

2.1.1熱電偶兩極短路

如果熱電極中兩個電極的絕緣部件出現了損壞，便可能導致電極短路，當短路問題過于嚴重時，便會直接在顯示儀表中顯示，讓相關人員可以確定短路位置的實際溫度狀態。而此時的熱電偶熱力勢會顯著低于其實際值，導致其中的指示值相對較低，其數值一般為室溫。

2.1.2熱電偶補償導線短路

針對熱電偶裝置與補償導線進行連接，如果操作人員未能充分關注連接問題，或未能充分保障熱電偶接頭位置的整潔度，接線盒保護蓋受損導致導線裝置受潮、接頭處掉進金屬雜質，都可能造成熱電偶導線短路問題。一旦發生短路問題，則可能導致熱電偶被短接，此時所測得的問題多為環境溫度或接線盒位置處的溫度，其數值明顯低于被測介質，且其熱力勢及顯示儀表示值溫度均顯著低于實際值[2]。

應對方法：針對熱電偶兩極的短路故障原因進行分析，若由于熱電偶絕緣子損壞而導致短路問題，則要求立即更換絕緣子部件;若由于灰塵、雜質在熱電偶接線盒及接線柱位置處大量積聚而引發熱電偶短路問題，則需要立即清掃灰塵、清潔接線柱;若因為接線盒保護蓋未能蓋緊而導致水汽大量涌入，造成熱電偶裝置短路，則要求實施干燥處理;若因為補償導線短路所引起，則要求立即找出其中的短路故障位置，并對該故障位置實施絕緣處理，同時，更換補償導線裝置[3]。

2.2接觸不良

一般而言，補償導線及熱電偶裝置中導線都有著相對較硬的質地，且難以實現緊固連接，可能導致補償導線和熱電偶接頭處的接頭接觸不良，難以達到良好的儀表接頭連接效果。保持熱電偶的熱電勢不變，如果因為裝置接觸不良而導致接觸電阻值增加，則可能造成儀表示值溫度顯著減低，遠遠低于測量區域內的實際溫度，同時也可能直接影響輸出結果的穩定性。

應對方法：擰緊接線柱螺絲，同時，從保護套管中取出熱電偶的熱電極，以明確其中的故障點并進行消除。若需要在長距離內進行補償導線敷設，但是補償導線的長度難以保障，需要進行接線處理，則要求操作人員針對2根補償導線進行充分連接，以保障其接頭處的連接問題。同時，要求在絕緣包扎后正式投入使用，然而，若使用一段時間后出現了測量值與實際值偏差較多的情形，造成了較大的測量誤差，則可以通過如下方式進行處理：為充分延長補償導線的長度，要求針對相同規格的補償導線及原補償導線進行充分連接，分別連接導線的正極和負極，使其得以緊密焊接，并在此基礎上實施絕緣處理，以實現對于接點處接觸電阻的充分管控，并在規定時間內進行使用[4]。

2.3斷路故障

在熱電偶裝置的熱電極上含有絕緣管設施，可以達到良好的熱電極短路預防效果，絕緣管的主要材料為耐火陶瓷、Al2O3管及MgO管。造成裝置短路問題的主要原因在于熱電偶熱電極自身結構斷線，同時如果保護套管破裂，也可能導致熱電極發生氧化劣化，若熱電極未能完全斷裂，且未能保持穩定的熱電勢輸出狀態，都可能相應影響顯示儀表示值的穩定性。一旦裝置徹底斷開，且顯示儀表中無指示，則可以通過如下方式進行處理。

首先，要求斷開補償導線及熱電偶的連接，拆開其連接點位置，利用萬用表歐姆檔進行測量，以確定熱電偶的冷端電阻，明確其斷線狀態。若阻值數值的顯示為無窮大，則表明熱電偶的熱電極出現了斷線問題，需要發現熱電偶的斷線位置，剪斷電極端頭，并實施重新焊接。其次，要求在實施焊接作業時充分關注測量端焊接質量，通過牢固的焊接，讓焊接金屬表面得以保持金屬光澤，以提升其表面結構的光滑度，避免出現過多的夾渣及裂紋。最后，若難以充分保障保護套管及內部絕緣管膨脹系數的一致性，則要求更換保護套管及絕緣管裝置，使用與其材料相同的絕緣管裝置，以保持保護套管及絕緣管內熱膨脹系數的一致性[5]。

2.4測量線路絕緣損壞

實施熱電偶安裝，則可能由于熱電偶接線盒故障而導致導線點絕緣層發生破損或漏電問題，常見的故障問題主要表現為顯示器儀表溫度較低或溫度輸出狀態不穩定。

應對方法：使用兆歐表進行測量，以確定補償導線與儀表外殼的絕緣電阻值，要求將常溫環境中的絕緣電阻值控制在5MΩ以內。明確電路中是否已經實現了接地，同時，發現絕緣層中的破損點，并實施絕緣處理。

2.5補償導線用錯或極性接反

若出現此類問題，可能導致顯示儀上的數值與所測實際溫度存在出入，為此，要求充分確保補償導線選型與熱電偶型號的一致性，具體可以通過如下方式進行處理：

首先，拆開補償導線，并與熱電偶的接點位置重新連接，讓熱電偶得以與補償導線的正極、負極進行連接，其次，及時更換補償導線及熱電偶裝置;最后，結合具體的儀表類型，確定補償導線的實際線徑，以促進測量準確性提升[6]。

3結語

熱電偶裝置是一種十分典型的自發電類傳感器，該設備已經在溫度測量領域中實現了廣泛運用，然而仍然存在諸多限制，若無法充分關注設備安裝調試環節的細節，則可能嚴重影響整體系統運行的穩定性，無法得到精準的溫度測量結果。為此，要求提高對于儀表維修工作的關注，需要相關工作人員不斷提升自身的專業技能水平，可以結合所需知識進行故障判定，積極采用合理的方法，以排除故障問題，降低測量誤差，讓熱電偶裝置的使用壽命得以切實延長。

參考文獻

[1]? 史惠霞.熱電偶典型故障判斷與成因分析[J].中國新技術新產品，2021（18）：83-85.

[2]? 張禮維，張雯.淺談工業熱電偶測溫原理及故障分析[J].山東工業技術，2017（12）：41.

[3]? 賈超，蔡杰，熊朝暉.不同傳熱方式下溫度傳感器動態特性研究[J].計量學報，2020，41（5）：563-566.

[4]? 王磊，賴恒俊，張強強，等.柔性熱電偶線在航空熱加工中的應用[J].工業計量，2021，31（6）：33-35.

[5]? 姜帥，楊威，胡俊宏，等.熱電偶時間常數測量分揀系統研究[J].工業儀表與自動化裝置，2021（3）：30-34.

[6]? 常廣暉，張亞超，蘇攀.基于工業以太網的熱電偶測溫模塊設計[J].測控技術，2021，40（10）：43-49，54.