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(yīng)用原理相對(duì)簡單，易于安裝，已經(jīng)在電力生產(chǎn)行業(yè)及其他各類工業(yè)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；瘧?yīng)用，然而其在實(shí)際應(yīng)用階段仍然存在諸多問題。下文將簡要介紹工業(yè)熱電偶的測溫原理、種類及結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)結(jié)合工程實(shí)際，明確常見的工業(yè)熱電偶故障問題及處理措施，讓工業(yè)熱電偶得以發(fā)揮實(shí)效。

關(guān)鍵詞：工業(yè)熱電偶測溫原理故障分析結(jié)構(gòu)形式

中圖分類號(hào)： TH811文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：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(jì)的主要原理為熱電效應(yīng)，可以依據(jù)熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測量，其主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)為熱電偶、顯示儀表及用于儀器連接的導(dǎo)線，如果測溫系統(tǒng)發(fā)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(xiàn)。若熱電偶所輸出的電勢發(fā)生異常或無電勢輸出，則可能導(dǎo)致顯示儀表中的示值溫度不穩(wěn)定，或表現(xiàn)出數(shù)值偏高偏低的問題。為此，要求化工儀表維修檢驗(yàn)人員結(jié)合顯示儀表中的實(shí)際示數(shù)確定相應(yīng)的故障問題，分析故障原因，據(jù)此明確熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線中所存在的故障問題，并實(shí)施充分檢查，以修復(fù)設(shè)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(yōu)勢：第一，其測量精度相對(duì)較高，可以與被測對(duì)象進(jìn)行直接接觸;第二，免受中間介質(zhì)的影響;第三，其測量范圍相對(duì)較廣，通?？梢栽?50 ℃～+1600 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)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(dá)到-269 ℃，最高則可以達(dá)到+2 800 ℃;第四，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸?shù)哪繕?biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于所測區(qū)域內(nèi)溫度的集中檢測，并進(jìn)行自動(dòng)化控制，與DCS系統(tǒng)進(jìn)行充分配合;第五，可以針對(duì)局部區(qū)域內(nèi)的溫度狀態(tài)實(shí)施檢測，其檢測精度可以精確到“點(diǎn)”;第六，可以實(shí)現(xiàn)快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，熱電偶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，不會(huì)在測溫過程中出現(xiàn)過為突出的熱慣性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于整體測量過程的動(dòng)態(tài)化響應(yīng);第七，元件構(gòu)造簡單，便于使用。熱電偶的主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)為兩種不同的金屬絲，其構(gòu)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(hù)套管裝置，使用相對(duì)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(jié)合熱電效應(yīng)原理，可以針對(duì)兩種不同類型的金屬導(dǎo)體進(jìn)行連接，使其得以形成統(tǒng)一的回路。若所連接的亮點(diǎn)溫度不同，則可能在相應(yīng)的測量回路中產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢能，進(jìn)而形成電流，也即發(fā)生了熱效應(yīng)。借助這一關(guān)系，可以精準(zhǔn)測量出裝置中的熱電勢值，以達(dá)到良好的生產(chǎn)線溫度管控效果。通常而言，產(chǎn)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(zhì)的性能，使其得以充分滿足熱電偶的熱電特性要求，同時(shí)，具備良好的導(dǎo)電性能;其次，要求針對(duì)熱電偶參比端及測量端的溫差進(jìn)行充分管控，以維持一定的溫度差。

1.2熱電偶種類及結(jié)構(gòu)形成

1.2.1熱電偶種類

可以將常見的熱電偶分成標(biāo)準(zhǔn)及非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩種類型，標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是基于國家標(biāo)準(zhǔn)所制定的，可以充分規(guī)定熱電勢與溫度的實(shí)際關(guān)系，達(dá)到良好的誤差控制效果，同時(shí)，具備統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶裝置，可以結(jié)合與其相配套的顯示儀表進(jìn)行綜合使用。至于非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，其數(shù)量級(jí)和使用范圍均存在一定限制，且難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)，不具備統(tǒng)一化的分度表，主要在特殊場合測量中得以應(yīng)用。

1.2.2熱電偶的結(jié)構(gòu)形式

為充分確保熱電偶工作的穩(wěn)定性，要求針對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：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(shí)規(guī)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(bǔ)償導(dǎo)線連接的緊密性和可靠性;最后，針對(duì)熱電極及各類有害介質(zhì)實(shí)施充分隔離，以達(dá)到良好的套管保護(hù)效果[1]。

1.3熱電偶冷端的溫度補(bǔ)償

工業(yè)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(huì)更高，然而，由于測溫點(diǎn)與儀表裝置的距離通常相對(duì)較遠(yuǎn)，為達(dá)到良好的熱電偶材料節(jié)約效果，以相應(yīng)削弱施工成本，要求充分利用補(bǔ)償導(dǎo)線裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于熱電偶冷端的充分延伸，將導(dǎo)線延伸到具有穩(wěn)定溫度環(huán)境的室內(nèi)，并連接到儀表端子中。然而，使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，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(dòng)。而熱電偶自身難以達(dá)到良好的冷端溫度變化控制效果，且難以充分補(bǔ)償溫度變化情況。熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線往往只能延伸到熱電極中，并據(jù)此實(shí)現(xiàn)良好的熱電偶冷端移動(dòng)控制效果，將其移動(dòng)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(fā)揮補(bǔ)償作用。為此，要求適當(dāng)采取其他修正方法，以達(dá)到良好的冷端溫度補(bǔ)償效果，削弱其對(duì)于測溫的影響。

利用熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，可以在一定的溫度范圍內(nèi)發(fā)揮良好的熱電性能優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jià)格相對(duì)低廉，可以將其作為連接熱電偶及二次儀表裝置的導(dǎo)線。

2熱電偶典型故障問題及處理方法

2.1熱電偶或補(bǔ)償導(dǎo)線短路

2.1.1熱電偶兩極短路

如果熱電極中兩個(gè)電極的絕緣部件出現(xiàn)了損壞，便可能導(dǎo)致電極短路，當(dāng)短路問題過于嚴(yán)重時(shí)，便會(huì)直接在顯示儀表中顯示，讓相關(guān)人員可以確定短路位置的實(shí)際溫度狀態(tài)。而此時(shí)的熱電偶熱力勢會(huì)顯著低于其實(shí)際值，導(dǎo)致其中的指示值相對(duì)較低，其數(shù)值一般為室溫。

2.1.2熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線短路

針對(duì)熱電偶裝置與補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行連接，如果操作人員未能充分關(guān)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(hù)蓋受損導(dǎo)致導(dǎo)線裝置受潮、接頭處掉進(jìn)金屬雜質(zhì)，都可能造成熱電偶導(dǎo)線短路問題。一旦發(fā)生短路問題，則可能導(dǎo)致熱電偶被短接，此時(shí)所測得的問題多為環(huán)境溫度或接線盒位置處的溫度，其數(shù)值明顯低于被測介質(zhì)，且其熱力勢及顯示儀表示值溫度均顯著低于實(shí)際值[2]。

應(yīng)對(duì)方法：針對(duì)熱電偶兩極的短路故障原因進(jìn)行分析，若由于熱電偶絕緣子損壞而導(dǎo)致短路問題，則要求立即更換絕緣子部件;若由于灰塵、雜質(zhì)在熱電偶接線盒及接線柱位置處大量積聚而引發(fā)熱電偶短路問題，則需要立即清掃灰塵、清潔接線柱;若因?yàn)榻泳€盒保護(hù)蓋未能蓋緊而導(dǎo)致水汽大量涌入，造成熱電偶裝置短路，則要求實(shí)施干燥處理;若因?yàn)檠a(bǔ)償導(dǎo)線短路所引起，則要求立即找出其中的短路故障位置，并對(duì)該故障位置實(shí)施絕緣處理，同時(shí)，更換補(bǔ)償導(dǎo)線裝置[3]。

2.2接觸不良

一般而言，補(bǔ)償導(dǎo)線及熱電偶裝置中導(dǎo)線都有著相對(duì)較硬的質(zhì)地，且難以實(shí)現(xiàn)緊固連接，可能導(dǎo)致補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶接頭處的接頭接觸不良，難以達(dá)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?yàn)檠b置接觸不良而導(dǎo)致接觸電阻值增加，則可能造成儀表示值溫度顯著減低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于測量區(qū)域內(nèi)的實(shí)際溫度，同時(shí)也可能直接影響輸出結(jié)果的穩(wěn)定性。

應(yīng)對(duì)方法：擰緊接線柱螺絲，同時(shí)，從保護(hù)套管中取出熱電偶的熱電極，以明確其中的故障點(diǎn)并進(jìn)行消除。若需要在長距離內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)償導(dǎo)線敷設(shè)，但是補(bǔ)償導(dǎo)線的長度難以保障，需要進(jìn)行接線處理，則要求操作人員針對(duì)2根補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行充分連接，以保障其接頭處的連接問題。同時(shí)，要求在絕緣包扎后正式投入使用，然而，若使用一段時(shí)間后出現(xiàn)了測量值與實(shí)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(jìn)行處理：為充分延長補(bǔ)償導(dǎo)線的長度，要求針對(duì)相同規(guī)格的補(bǔ)償導(dǎo)線及原補(bǔ)償導(dǎo)線進(jìn)行充分連接，分別連接導(dǎo)線的正極和負(fù)極，使其得以緊密焊接，并在此基礎(chǔ)上實(shí)施絕緣處理，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于接點(diǎn)處接觸電阻的充分管控，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)進(jìn)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(shè)施，可以達(dá)到良好的熱電極短路預(yù)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(jié)構(gòu)斷線，同時(shí)如果保護(hù)套管破裂，也可能導(dǎo)致熱電極發(fā)生氧化劣化，若熱電極未能完全斷裂，且未能保持穩(wěn)定的熱電勢輸出狀態(tài)，都可能相應(yīng)影響顯示儀表示值的穩(wěn)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(jìn)行處理。

首先，要求斷開補(bǔ)償導(dǎo)線及熱電偶的連接，拆開其連接點(diǎn)位置，利用萬用表歐姆檔進(jìn)行測量，以確定熱電偶的冷端電阻，明確其斷線狀態(tài)。若阻值數(shù)值的顯示為無窮大，則表明熱電偶的熱電極出現(xiàn)了斷線問題，需要發(fā)現(xiàn)熱電偶的斷線位置，剪斷電極端頭，并實(shí)施重新焊接。其次，要求在實(shí)施焊接作業(yè)時(shí)充分關(guān)注測量端焊接質(zhì)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(jié)構(gòu)的光滑度，避免出現(xiàn)過多的夾渣及裂紋。最后，若難以充分保障保護(hù)套管及內(nèi)部絕緣管膨脹系數(shù)的一致性，則要求更換保護(hù)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(hù)套管及絕緣管內(nèi)熱膨脹系數(shù)的一致性[5]。

2.4測量線路絕緣損壞

實(shí)施熱電偶安裝，則可能由于熱電偶接線盒故障而導(dǎo)致導(dǎo)線點(diǎn)絕緣層發(fā)生破損或漏電問題，常見的故障問題主要表現(xiàn)為顯示器儀表溫度較低或溫度輸出狀態(tài)不穩(wěn)定。

應(yīng)對(duì)方法：使用兆歐表進(jìn)行測量，以確定補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表外殼的絕緣電阻值，要求將常溫環(huán)境中的絕緣電阻值控制在5MΩ以內(nèi)。明確電路中是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了接地，同時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕緣層中的破損點(diǎn)，并實(shí)施絕緣處理。

2.5補(bǔ)償導(dǎo)線用錯(cuò)或極性接反

若出現(xiàn)此類問題，可能導(dǎo)致顯示儀上的數(shù)值與所測實(shí)際溫度存在出入，為此，要求充分確保補(bǔ)償導(dǎo)線選型與熱電偶型號(hào)的一致性，具體可以通過如下方式進(jìn)行處理：

首先，拆開補(bǔ)償導(dǎo)線，并與熱電偶的接點(diǎn)位置重新連接，讓熱電偶得以與補(bǔ)償導(dǎo)線的正極、負(fù)極進(jìn)行連接，其次，及時(shí)更換補(bǔ)償導(dǎo)線及熱電偶裝置;最后，結(jié)合具體的儀表類型，確定補(bǔ)償導(dǎo)線的實(shí)際線徑，以促進(jìn)測量準(zhǔn)確性提升[6]。

3結(jié)語

熱電偶裝置是一種十分典型的自發(fā)電類傳感器，該設(shè)備已經(jīng)在溫度測量領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了廣泛運(yùn)用，然而仍然存在諸多限制，若無法充分關(guān)注設(shè)備安裝調(diào)試環(huán)節(jié)的細(xì)節(jié)，則可能嚴(yán)重影響整體系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，無法得到精準(zhǔn)的溫度測量結(jié)果。為此，要求提高對(duì)于儀表維修工作的關(guān)注，需要相關(guān)工作人員不斷提升自身的專業(yè)技能水平，可以結(jié)合所需知識(shí)進(jìn)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(shí)延長。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]? 賈超，蔡杰，熊朝暉.不同傳熱方式下溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性研究[J].計(jì)量學(xué)報(bào)，2020，41（5）：563-566.

[4]? 王磊，賴恒俊，張強(qiáng)強(qiáng)，等.柔性熱電偶線在航空熱加工中的應(yīng)用[J].工業(yè)計(jì)量，2021，31（6）：33-35.

[5]? 姜帥，楊威，胡俊宏，等.熱電偶時(shí)間常數(shù)測量分揀系統(tǒng)研究[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2021（3）：30-34.

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