熱電偶溫度測量異常分析與處理

摘" " 要：某船采用熱電偶測量發電機組的排氣溫度，在發電機組調試過程中，測量設備上顯示處于停機狀態的發電機組排氣溫度隨輔機艙溫度變化而反向變化。本文基于此故障現象，闡述了故障排查、故障復現、原因分析及處理方案，對故障進行了處理并驗證了處理結果，總結了發生該故障的原因和避免類似故障發生的措施。

關鍵詞：熱電偶；熱電效應；冷端補償；補償導線；電纜接線

中圖分類號：U661.75 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Analysis and Treatment for Abnormal Temperature

Measurement of Thermocouple

QIN Dengluo，" LAI Li ，" YAN Hexiang

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Company Limited，" Guangzhou 510715" China ）

Abstract： The thermocouple is used in a ship to measure the exhaust temperature of the generator set. During the commissioning process of the generator set， the measurement equipment shows that the exhaust temperature of the generator set in the shutdown state changes in reverse with the temperature change of the auxiliary engine room. Based on this fault phenomenon， this article elaborates the fault troubleshooting， fault reproduction， principle analysis and handling solutions. The fault is handled and the handling results are verified. The reasons for the occurrence of the fault and measures to avoid similar faults are summarized.

Key words： thermocouple; thermoelectric effect; cold-junction compensation; compensating wire; cable wiring

1" " 引言

熱電偶是利用熱電效應原理進行測溫的傳感器，具有溫度范圍廣、成本低、結構簡單、容易安裝、響應快、適宜遠距離測量和自動控制的優點，成為接觸式溫度測量的主力，應用十分廣泛[1]。相比于其他溫度傳感器，熱電偶的優點是測量范圍廣、構造簡單、使用方便，缺點是精度低、信號調理復雜、易受腐蝕、抗噪性差、需要冷端補償。熱電偶直接測量溫度，將溫度信號轉換成熱電勢信號，再轉換成被測介質的溫度信號。由于熱電偶的熱電勢信號微弱，容易受到干擾而產生測量誤差，應安裝在遠離強磁場環境的位置。因此，熱電偶適用于測量精度要求不高、測量范圍廣、弱磁場和弱噪聲環境、遠距離測溫的場景。某船采用熱電偶測量燃氣輪機發電機組的排氣溫度，在發電機組調試過程中，發現溫度測量設備顯示的處于停機狀態的發電機組排氣溫度值隨輔機艙溫度變化而反向變化的異常現象。經故障排查、故障復現、原理分析，找到了故障原因，確定處理方案，對故障進行了處理并驗證了處理結果，解決了問題。

2" " 發電機組排氣溫度測量原理

2.1" "熱電偶工作原理

熱電偶利用熱電效應——塞貝克（Seebeck） 效應原理進行測溫。熱電效應指由于兩種不同電導體或半導體的溫度差異而引起兩種物質間的電壓差的熱電現象。

1）溫差電效應

溫差電效應也稱為塞貝克效應，是熱能轉換為電能的現象。如圖1 a）所示，兩種導體A和B串聯成回路，當兩個接頭1和2溫度不同時，則在導體B開路位置y和z之間產生一個電位差[1]：

當?T=T1-T2不是很大時，這個關系就是線性的，即SAB為常數，定義為導體A、B的相對塞貝克系數，即[1]

（2）

若圖1中導體B的長度為0，如圖1 b）所示， 得到單導體A的絕對塞貝克系數SA，定義式如下：

（3）

同理可得到單導體B的絕對塞貝克系數SB。

2）熱電偶測溫原理

圖1 a）中從接頭2斷開，即為熱電偶的結構，如圖2所示，其中T1端為熱端（也稱測量端、工作端），T2端為冷端（也稱參考端、自由端）：

當冷端和熱端存在溫差時，在導體A、B分別產生熱電動勢UA和UB，則冷端兩極之間的熱電動勢?U為兩導體熱電動勢之和，即：

（4）

測出?U，通過查相應的分度表，得到熱端和冷端的溫度差?T，再測出冷端的溫度T2，得到熱端的溫度T1=?T+T2，這就是冷端補償[2]。

2.2" "發電機組排氣溫度測量原理

本船發電機組采用熱電偶測量作為測量排氣溫度傳感器，熱電偶與測量設備通過電纜連接，測量設備端設置冷端補償，如圖3所示。熱電偶熱端在發電機組內部位于排氣溫度測量處，所在位置的溫度T1即為所需測量的發電機排氣溫度；熱電偶的冷端位于輔機艙，所在位置的溫度為T2，冷端補償設在測量設備端，所在位置的溫度為T3。

測量設備測出熱電偶產生的熱電動勢?U，解算出熱端與冷端的溫差值，經冷端補償后得到測量的溫度值T1。

3" " "發電機組溫度測量異常現象

本船修理期間，發電機組返廠修理，回裝后進行調試，發現安裝在同一輔機艙內的兩臺發電機組（以下稱1號機組和2號機組）在各種狀態下測量設備顯示發電機組排氣溫度有以下三種現象：

現象一： 兩臺發電機組均處于停機狀態時，測量設備顯示兩臺發電機組的排氣溫度與環境溫度差異很小；

現象二：兩臺發電機組均運行時，測得兩臺發電機組排氣溫度均達到400 ℃以上；

現象三：啟動1號機組，2號機組停機時，測得1號機組穩定運行時的排氣溫度在400 ℃以上，而2號機組排氣溫度隨輔機艙溫度上升而持續下降；1號機組停機后，2號機組排氣溫度隨輔機艙溫度下降而持續上升。

對于現象一，發電機組排氣和測量設備顯示的溫度相差很小，難以發現異常；對于現象二，發電機組穩定工作的排氣溫度是400 ℃以上，由于溫度太高，測量誤差幾十度很難察覺到異常；對于現象三，停機狀態的發電機的排氣溫度與輔機艙溫度相差很小，但在輔機艙溫度變化時，排氣溫度反向變化，明顯與實際不符，很容易被發現。

4" " 發電機組溫度測量異常故障排查

4.1" "現象復現

啟動一臺發電機，同一輔機艙內處于停機狀態的發電機組的排氣溫度持續下降，運行機組停機后又逐漸恢復；當用手握住熱電偶接頭或用熱風吹熱電偶接頭，也出現同樣的現象；當用手握住熱電偶接頭以外的部位或用熱風吹熱電偶接頭以外的部位，未出現該現象。

停機狀態機組的熱電偶接頭處的溫度越高，測量設備顯示的溫度越低。

4.2" "故障排查

排除設備故障原因：由于所有發電機的熱電偶均出現相同的現象，因此可初步判斷熱電偶和測量設備工作正常。

排除線路干擾：不運行任何設備，僅啟動測量設備，確保測量線路不受其他線路干擾，對熱電偶的接頭加熱，上述現象復現，排除線路干擾的原因。

排除其他故障：熱電偶故障[3-6]有熱電偶或補償導線短路、接觸不良、斷路故障、測量線路絕緣損壞、補償導線用錯或極性接反進行一一排查，確認均為正常。

經上述排查后，仍未找出故障原因，但從故障復現可確定熱電偶接頭是解決問題的關鍵點，將熱電偶接頭用隔熱材料包住后，避免輔機艙溫度升高對熱電偶接頭的影響，雖有一定效果，但仍未解決問題。

相關圖紙顯示連接熱電偶和測量設備的電纜為熱電偶補償導線，規格為1×1 mm+1×2.5 mm，兩芯線規格不同，由此判斷兩芯線作用不同，將兩芯線對調，再進行異常現象復現，故障現象消失，測量結果顯示正常。經理論分析和計算，證明該處理方法是正確的，并且通過了驗證。

5" " "發電機組溫度測量異常原因分析

由于對調芯線后故障現象消失，因此從熱電偶與測量設備的連接方式對測量結果的影響進行分析。

5.1" "熱電偶與測量設備的連接方式對測量結果的影響

在熱電偶與測量設備正、負極正確連接的情況下，有三種連接方式。

連接方式一：用普通電纜連接，如圖4所示，普通電纜兩芯線的材料相同，塞貝克系數相同，即S1=S2=S，測量設備測得的熱電動勢為：

（5）

式（5）說明測量結果與電纜無關，熱電偶所產生的熱電勢保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。

連接方式二：用熱電偶補償導線正確連接，如圖5所示，熱電偶補償導線的兩芯線的材料分別與熱電偶兩電極材料相同，塞貝克系數相同，即S1 = SA，S2=SB，測量設備測得的熱電動勢為：

（6）

式（6）說明冷端由T2變為T3，補償導線將熱電偶的兩個導體延長到測量設備端。這說明熱電偶回路中熱電動勢的大小，只與組成熱電偶的材料和兩端的溫度有關，而與熱電偶的長度、直徑、形狀及中間連接點無關。

連接方式三：用熱電偶補償導線錯誤連接，如圖6所示，S1 = SB，S2=SA，則測量設備測得的熱電動勢為：

（7）

由式（7）結果出現兩個參考溫度T2和T3，說明補償導線與熱電偶錯誤的連接無法得到正確的測量結果。

由以上三種連接方式可得，正負極接對的情況下，由式（5）、（6）、（7），解算結果為測量設備測得的溫度值：

T =ΔT + T3 = T1 - T2 + T3" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （8）

T =ΔT + T3 = T1 - T3 + T3 = T1" " " " " " " " " " " " " " " " " （9）

T =ΔT + T3 = T1 + T3 - 2T2 + T3= T1 + 2T3 - 2T2" " （10）

正負極接反的情況下，只需將式（8）～（10）中的ΔT替換成-ΔT，得到另外三種連接方式，解算結果為測量設備測得的溫度值分別為：

T = -ΔT + T3 = T2 - T1 + T3" " " " " " " " " " " " " " " " " " "（11）

T =-ΔT + T3 = T3 - T1 + T3 = 2T3 - T1" " " " " " " " " "（12）

T =-ΔT + T3 = -T1 - T3 + 2T2 + T3 = 2T2 - T1" " " "（13）

由式（8）～（13），可得以下三個結論：

結論1：式（9）中只含測量端的溫度T1 ，而其余式子中含其它溫度T2 或T3 ，說明連接方式二是正確的，其它連接方式均是錯誤的；

結論2：式（8）和（10）中T與T2 符號相反，說明采用連接方式一和連接方式三，測量結果隨熱電偶接頭溫度變化而反向變化；

結論3：式（11）～（13）中T 與T2 符號相同，說明正負極接反的情況下，測量結果與熱電偶接頭溫度T2 同向變化。

由于連接熱電偶與測量設備的電纜為補償導線，由以上結論2，只有連接方式三的結果與異常現象相符。根據式（10）分析，會產生與前述溫度測量完全吻合的異常現象，具體分析如下：

1）當沒有發電機組運行時，可認為T1 = T2 = T3，測量設備顯示測得溫度為T =T1 + 2T3 - 2T2 = T1，與實際相符；

2）啟動發電機組后，輔機艙溫度逐漸升高，處于停機狀態的發電機組內部溫升滯后于輔機艙，結果是熱電偶接頭處溫度高于熱端和測量設備端，即T2 ＞ T1， T2 ＞ T3，測量設備測得溫度為T =T1 + 2T3 - 2T2 ＜ T1，即測得的溫度下降，且T2 越大，T越小；

3）將電纜的兩芯線對調，即變成連接方式二，測得的溫度T =T1 即是熱電偶熱端的溫度，與熱電偶接頭溫度T2 無關；

4）發電機組穩定運行時的排氣溫度高達400 ℃以上，不易判斷測量結果的正確性，可通過計算連接方式二和連接方式三測得的溫度差來判斷，將式（9）減式（10），得到為

T1 -（T1 + 2T3 - 2T2 ）= 2（T2 - T3 ）" " " " " " " " "（14）

一般情況下，當發電機組運行時，輔機艙溫度T2比測量設備端溫度T3高10 ℃～30 ℃，所以2（T2 - T3）=20 ℃～60 ℃。查閱對調芯線前后發電機運行數據記錄，得到下表所示數據。

從表中可看出2（T2 - T3）為29 ℃～49 ℃，與計算結果相符。

5.2" "故障原因

由以上分析可知，出現本文所述的異常現象是由于接線方式錯誤，而導致接線錯誤的原因是不掌握熱電偶測溫原理，將補償導線當成普通電纜，認為只要電纜兩端正負極接對即可；檢查接線正確性時，也只是檢查極性的正確性。

為避免接線錯，可采取以下措施：

1）熱電偶防接錯設計：本船熱電偶帶有異徑接頭，補償導線的兩芯線直徑不同（規格為1×1mm+1×2.5mm），這可以認為是一種防接錯設計，但仍不能避免接錯線，是存在缺陷的。熱電偶的防接錯設計應該限制錯誤芯線接入，即大直徑的芯線不能插入小孔，小芯線插入大孔則無法固定，或在異徑接頭上設置接線指示的永久標識；

2）設置防接錯標識：接線圖中設置防接錯標識，指示正負極分別接補償導線的哪芯線。

6" " 驗證

將對調芯線后的熱電偶測量端置于已知溫度的環境中，在測量裝置上顯示的溫度與在熱電偶測量端用溫度計測得的溫度是一致的，改變測量端的溫度，兩者測量的結果也是一致的，改變熱電偶接頭的溫度，測量值不變。由此可判斷對調芯線后的接線方式是正確的，測量結果是準確的。

7" " 結論

1）接線錯誤是本次故障的原因，而導致接線錯誤的原因是不掌握熱電偶測溫原理而將補償導線當成普通電纜接線；

2）采取熱電偶防接錯設計、設置防接錯標識等措施，可有效避免類似故障的發生；

3）采用熱電偶測溫，應掌握熱電偶測溫原理，熟悉熱電偶的特點。連接熱電偶與測量設備的電纜應采用補償導線，接線時除了正負極不能接反，芯線材質與熱電偶電極的材質也要匹配，并在測量設備設置冷端補償。

本文分析的熱電偶六種接線方式對測量結果的影響，對故障排查和故障現象判斷具備實用價值。

參考文獻

[1]謝清俊.熱電偶測溫技術相關特性研究[J].工業計量， 2017，27（5）：5-8.

[2]高敏.溫差電轉換及其應用[M].北京：兵器工業出版社， 1996.

[3]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.

[4]張利軍.工業熱電偶測溫原理及故障分析[J].科技資訊， 2022， 20（2）：42-44.

[5]劉麗軍，李力.熱電偶的選擇、使用與故障修復[J].現代商貿工業，"2011， 23（24）：419.

[6]朱信華，劉全榮，井繼琛.高溫熱電偶故障原因及處理[J].石油化工" "自動化， 2012， 48（1）：80-82.