熱電偶典型故障判斷與成因分析

史惠霞

（寧夏工業(yè)職業(yè)學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

熱電偶溫度計(jì)是以熱電效應(yīng)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的。它是由熱電偶、顯示儀表以及連接熱電偶和測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線組成的測(cè)溫系統(tǒng)。因此，測(cè)溫系統(tǒng)出現(xiàn)的故障可以通過(guò)顯示儀表的示值變化反映出來(lái)。如果熱電偶輸出電勢(shì)不正?；驘o(wú)電勢(shì)輸出，那么顯示儀表的示值溫度會(huì)出現(xiàn)偏低或偏高、示值不穩(wěn)定或無(wú)指示的情況?；x表維修人員可以根據(jù)顯示儀表反映出來(lái)的故障現(xiàn)象，分析故障原因，判斷熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線的故障位置，對(duì)其進(jìn)行檢查和修復(fù)。

1 熱電偶典型故障現(xiàn)象及處理方法

1.1 熱電偶或補(bǔ)償導(dǎo)線短路

1.1.1 熱電偶兩極之間短路

熱電極2個(gè)電極間絕緣損壞發(fā)生短路，短路嚴(yán)重時(shí)，顯示儀表會(huì)指示短路部位的溫度。此時(shí)熱電偶熱電勢(shì)比實(shí)際值小，顯示儀表指示值偏低，通常顯示為室溫[1]。

1.1.2 熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線短路

由于熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線連接時(shí)，操作者不注意或熱電偶接頭部分不干凈、接線盒保護(hù)蓋未蓋好受潮、在接頭處掉進(jìn)金屬雜質(zhì)所造成短路。此時(shí)熱電偶被短接，測(cè)量溫度為接線盒處溫度或環(huán)境溫度，比被測(cè)介質(zhì)溫度低。因此熱電勢(shì)比實(shí)際值小，顯示儀表示值溫度低于實(shí)際溫度。

處理方法：熱電偶兩極之間短路，如果是接線盒保護(hù)蓋未蓋好進(jìn)入水汽造成短路，則應(yīng)進(jìn)行干燥處理；如熱電偶絕緣子損壞造成短路，則應(yīng)更換絕緣子；如果是熱電偶的接線盒接線柱處積有灰塵、雜質(zhì)造成短路，則應(yīng)清掃灰塵，清潔接線柱，排除短路原因；如果是補(bǔ)償導(dǎo)線短路，可以找出短路點(diǎn)，進(jìn)行絕緣處理或更換補(bǔ)償導(dǎo)線。

1.2 接觸不良

因補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的導(dǎo)線都比較硬，不容易緊固連接，造成補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶接頭或補(bǔ)償導(dǎo)線連接到儀表的接頭接觸不良。熱電偶熱電勢(shì)不變，但接觸不良造成接觸電阻增加，顯示儀表示值溫度會(huì)低于實(shí)際溫度或者輸出不穩(wěn)定。

處理方法：將接線柱螺絲擰緊或?qū)犭娕嫉臒犭姌O從保護(hù)套管中取出，找出故障點(diǎn)并予以消除。

如果需要長(zhǎng)距離敷設(shè)補(bǔ)償導(dǎo)線，而補(bǔ)償導(dǎo)線長(zhǎng)度不夠，需要接線時(shí)，操作者將2根補(bǔ)償導(dǎo)線接頭處連接，然后包扎絕緣后投入使用，但是使用一段時(shí)間之后發(fā)現(xiàn)測(cè)量值偏離實(shí)際值，測(cè)量誤差很大。這種狀況正確的處理方法：要延長(zhǎng)補(bǔ)償導(dǎo)線的長(zhǎng)度，應(yīng)將相同型號(hào)的補(bǔ)償導(dǎo)線與原補(bǔ)償導(dǎo)線正極與正極相接、負(fù)極與負(fù)極相連接，絞緊焊接，做絕緣處理，保證接點(diǎn)處接觸電阻在規(guī) 定范圍內(nèi)方可投入使用。

1.3 斷路故障

熱電偶的熱電極上套有絕緣管，用于防止熱電極短路。絕緣管的材料通常為耐火陶瓷、MgO或Al2O3管。斷路主要是熱電偶熱電極本身出現(xiàn)了斷線；其他原因有保護(hù)套管破裂，使熱電極被氧化劣化而斷線；絕緣管移位、錯(cuò)位，對(duì)熱電偶熱電極施加扭曲力而斷線。

如果熱電極將斷未斷，熱電勢(shì)輸出不穩(wěn)定，顯示儀表的示值不穩(wěn)定；當(dāng)徹底斷開時(shí)顯示儀表無(wú)指示時(shí)，處理方法如下。

拆開補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的連接點(diǎn)，在常溫下用萬(wàn)用表歐姆檔測(cè)量熱電偶的2個(gè)冷端電阻，判斷是否斷線。如果阻值顯示為無(wú)窮大，說(shuō)明熱電偶熱電極斷線，找到熱電偶斷線處，剪去電極端頭重新焊接。焊接時(shí)要求測(cè)量端焊接牢固，有金屬光澤、表面光滑，無(wú)玷污變質(zhì)、夾渣和裂紋。如果保護(hù)套管與內(nèi)部絕緣管膨脹系數(shù)不一致，應(yīng)將保護(hù)套管內(nèi)的絕緣管換成與保護(hù)套管相同材料的絕緣管，或者將保護(hù)套管換成與絕緣管相同材料的保護(hù)套管，使二者熱膨脹系數(shù)一致。比如Al2O3保護(hù)套管用Al2O3材料的絕緣管。

1.4 測(cè)量線路絕緣損壞

在熱電偶安裝使用過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)熱電偶接線盒處和其他地方補(bǔ)償導(dǎo)線絕緣層破損、漏電、接地現(xiàn)象。故障現(xiàn)象表現(xiàn)為顯示儀表顯示值溫度一般低于實(shí)際溫度或輸出不穩(wěn)定。

處理方法：用兆歐表測(cè)量補(bǔ)償導(dǎo)線與儀表外殼或補(bǔ)償導(dǎo)線與補(bǔ)償導(dǎo)線之間的絕緣電阻是否減小，常溫下，絕緣電阻應(yīng)不小于5MΩ。判斷是否有接地現(xiàn)象，找到絕緣層破損點(diǎn)，重新進(jìn)行絕緣處理。

1.5 熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)不匹配

此時(shí)熱電勢(shì)值高于或低于實(shí)際值，顯示儀表示值溫度高于或低于實(shí)際溫度。處理方法：更換與熱電偶相配套，補(bǔ)償導(dǎo)線。

1.6 補(bǔ)償導(dǎo)線用錯(cuò)或極性接反

此時(shí)熱電勢(shì)值高于或低于實(shí)際值，顯示儀表示值溫度高于或低于實(shí)際溫度。

處理方法：拆開補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶接點(diǎn)重新接線，使熱電偶的正極、負(fù)極與補(bǔ)償導(dǎo)線正極、負(fù)極對(duì)應(yīng)相接或更換熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線。

以上熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)出現(xiàn)的典型故障現(xiàn)象，作為檢修操作人員不僅要會(huì)判斷故障點(diǎn)的位置，會(huì)處理解決問(wèn)題，還要會(huì)對(duì)故障出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析。

2 典型故障原因分析

2.1 熱電偶的冷端溫度補(bǔ)償

在熱電偶、顯示儀表以及連接熱電偶和測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線組成的測(cè)溫系統(tǒng)中，由熱電偶測(cè)溫原理可知，熱電偶回路總熱電勢(shì)是熱電偶工作端和冷端接點(diǎn)熱電勢(shì)的代數(shù)和，其中eAB（t）為被測(cè)介質(zhì)的溫度為t時(shí)工作端的熱電勢(shì)，eAB（t0）為冷端溫度為t0時(shí)的熱電勢(shì)。當(dāng)冷端溫度t0不變時(shí)，熱電勢(shì)為被測(cè)介質(zhì)溫度的單值函數(shù)關(guān)系[2]。

各種熱電偶的分度表均是在冷端即溫度t0為0℃的條件下，溫度每升高1℃，測(cè)量出熱電偶的熱電勢(shì)，從而得到的熱電勢(shì)與被測(cè)介質(zhì)溫度之間一一對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。用熱電偶測(cè)量被測(cè)介質(zhì)溫度時(shí)，如果要直接查閱熱電偶的分度表，就必須滿足冷端溫度為0℃。

但在實(shí)際測(cè)溫時(shí)，熱電偶長(zhǎng)度通常很短，只需要滿足插入深度即可。熱電偶的冷端即接線盒處的連接點(diǎn)，在工作現(xiàn)場(chǎng)靠近設(shè)備或管道，因此冷端溫度受環(huán)境溫度和設(shè)備與管道中物料溫度的影響較大。這樣t0不但不是0℃而且也不恒定，因此產(chǎn)生附加電勢(shì)，產(chǎn)生誤差。一般情況下，冷端溫度均高于0℃，熱電偶回路總熱電勢(shì)由于冷端熱電勢(shì)的增加而減小。

因此在應(yīng)用熱電偶測(cè)溫時(shí)，要采取措施消除冷端溫度不恒定或不為0℃時(shí)所產(chǎn)生附加電勢(shì)的影響，即要對(duì)熱電偶進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。常用補(bǔ)償方法有補(bǔ)償導(dǎo)線法、校正儀表零點(diǎn)法、補(bǔ)償電橋法和補(bǔ)償熱電偶法[3]。

補(bǔ)償導(dǎo)線是由2種自由電子密度比不同的廉價(jià)金屬材料制成的，在0℃～100℃與所配接的熱電偶具有相同的溫度 -熱電勢(shì)關(guān)系。由于補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶具有相同的溫度-熱電勢(shì)關(guān)系，補(bǔ)償導(dǎo)線連接熱電偶與顯示儀表時(shí)，將產(chǎn)生熱電勢(shì)E補(bǔ)（t1，t0）。在0℃～100℃時(shí)，E補(bǔ)（t1，t0）等于熱電偶工作端、冷端在相同接點(diǎn)溫度下產(chǎn)生的熱電勢(shì)E（t1，t0），根據(jù)熱電偶中間溫度定律，熱電偶測(cè)溫回路總的熱電勢(shì)計(jì)算如下[3]。

如圖1所示：t為工作端即被測(cè)介質(zhì)溫度，t1為熱電偶冷端（接線盒處）溫度，t0為溫度恒定的控制室內(nèi)補(bǔ)償導(dǎo)線與顯示儀表的接線端溫度。

圖1 熱電偶測(cè)溫回路

由此可見補(bǔ)償導(dǎo)線的作用，熱電偶的熱電勢(shì)與熱端即被測(cè)介質(zhì)溫度t和控制室內(nèi)補(bǔ)償導(dǎo)線與顯示儀表的接線端溫度t0有關(guān)，與熱電偶冷端（接線盒處）溫度t1無(wú)關(guān)，即補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的冷端延伸至了溫度為t0的控制室內(nèi)補(bǔ)償導(dǎo)線與顯示儀表的接線端。

使用補(bǔ)償導(dǎo)線時(shí)，要注意補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶型號(hào)要匹配；還要注意補(bǔ)償導(dǎo)線的正、負(fù)極必須與熱電偶的正、負(fù)極對(duì)應(yīng)相接，極性不能接反。而且要注意熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線使用環(huán)境溫度不能超過(guò)100℃，否則會(huì)出現(xiàn)測(cè)量誤差[3]。

根據(jù)熱電偶典型故障現(xiàn)象與處理方法可見，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶不配套或者極性接反、接觸不良、斷線會(huì)造成熱電偶的熱電勢(shì)低于或高于實(shí)際值，使顯示儀表的示值溫度偏高或偏低甚至無(wú)指示，這是為什么呢？筆者通過(guò)熱電偶的基本定律之一（中間溫度定律）或者信號(hào)源與負(fù)載之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行分析。

2.2 中間溫度定律

熱電偶工作端與冷端接點(diǎn)溫度為t、t0的熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)，等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為t、t1和t1、t0時(shí)產(chǎn)生的熱電勢(shì)的代數(shù)和[3]。

E（t，t0）=E（t，t1）+E（t1，t0）

E（t，t0）為熱電偶工作端溫度為t，冷端溫度為t0時(shí)回路總熱電勢(shì)；E（t，t1）為熱電偶工作端溫度為t，冷端溫度為t1時(shí)回路總熱電勢(shì)；E（t1，t0）為熱電偶工作端溫度為t1，冷端溫度為t0時(shí)回路總熱電勢(shì)。

3 顯示儀表示值溫度升高或降低的故障案例原因分析

如圖2所示：分度號(hào)為K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶誤配JX型（J型熱電偶配套）的補(bǔ)償導(dǎo)線，極性連接正確儀表示值如何變化?

圖2 K型熱電偶誤配JX型補(bǔ)償導(dǎo)線測(cè)溫回路

分 析：設(shè)工作端溫度為t，冷端溫度t1=40℃，補(bǔ)償導(dǎo)線與顯示儀表的接線端溫度t0=20℃。

如果熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線極性連接正確，根據(jù)中間溫度定律，回路總電勢(shì)如下。

E（t，20）=EK（t，40）+EK（40，20）

現(xiàn)在誤用JX補(bǔ)償導(dǎo)線，與之相互配的J型熱電偶的熱電勢(shì)為EJ（40，20），回路總電勢(shì)如下。

E′（t，20）=EK（t，40）+EJ（40，20）

則回路總電勢(shì)誤差計(jì)算如下。

ΔE=E′（t，20）-E（t，20）=EK（t，40）+EJ（40，20）-EK（t，40）-EK（40，20）=EJ（40，20）-EK（40，20）

根據(jù)中間溫度定理可知：EJ（40，0）=EJ（40，20）+EJ（20，0）

即EJ（40，20）=EK（40，0）EK（20，0）

同理：EK（40，20）=EK（40，0）EK（20，0）

因此：ΔE=EJ（40，20）-EK（40，20）=（EJ（40，0）EJ（20，0））-（EK（40，0）EK（20，0））

注：EK（t，40）為K型熱電偶工作端溫度為t，冷端溫度為40℃時(shí)熱電勢(shì)。EJ（40，20）為J型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為20℃時(shí)熱電勢(shì)；EK（40，20）為K型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為20℃時(shí)熱電勢(shì)；EJ（40，0）為J型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為0℃時(shí)熱電勢(shì)；EJ（20，0）為J型熱電偶工作端溫度為20℃，冷端溫度為0℃時(shí)熱電勢(shì)；EK（40，0）為K型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為0℃時(shí)熱電勢(shì)；EK（20，0）為K型熱電偶工作端溫度為20℃，冷端溫度為0℃時(shí)熱電勢(shì)。

查E型和K型熱電偶的分度表：

結(jié)論：熱電勢(shì)低的熱電偶用了熱電勢(shì)高的熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，回路總電勢(shì)偏大，儀表示值溫度將高于實(shí)際溫度。

同理：若分度號(hào)為J型（鐵-康銅）熱電偶誤配KX型（與K型熱電偶配套）的補(bǔ)償導(dǎo)線，極性連接正確儀表示值如何變化?

結(jié)論：熱電勢(shì)高的熱電偶用了熱電勢(shì)低的熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線，回路總電勢(shì)偏小，儀表示值溫度將低于實(shí)際溫度。

如圖3所示。分度號(hào)為J型（鐵-康銅）熱電偶配用JX型的補(bǔ)償導(dǎo)線（與J型熱電偶配套），但極性接反，回路電勢(shì)如何變化?

圖3 分度號(hào)為J型配用JX型的補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反

若極性連接正確，回路總電勢(shì)如下。

注：EJ（t，t1）為J型熱電偶工作端溫度為t，冷端溫度為t1時(shí)的熱電勢(shì)。

EJX（t1，t0）為JX型補(bǔ)償導(dǎo)線工作端溫度為t1，冷端溫度為t0時(shí)的熱電勢(shì)。

EJ（t1，t0）為J型熱電偶工作端溫度為t1，冷端溫度為t0時(shí)的熱電勢(shì)。

EJX（t1，t0）=EJ（t1，t0）

若補(bǔ)償導(dǎo)線極性接反，回路總電勢(shì)的計(jì)算如下。

E′（t，t0）=EJ（t，t1）-EJ（t1，t0）

回路電勢(shì)誤差計(jì)算如下。

若t1＞t0，則ΔE＜0，儀表顯示溫度低于實(shí)際測(cè)量溫度。

若t1＜t0，則ΔE＞0，儀表顯示溫度高于實(shí)際測(cè)量溫度

若t1=t0，則ΔE=0，儀表顯示溫度與實(shí)際溫度相同。

結(jié)論：補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶極性接反是造成熱電偶的熱電勢(shì)升高或者減小、顯示儀表示值溫度高于或低于實(shí)際溫度的主要原因。

補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶冷端接頭或補(bǔ)償導(dǎo)線接到儀表的端頭接觸不良，顯示儀表指示值低于實(shí)際溫度。

分析：熱電偶通過(guò)補(bǔ)償導(dǎo)線、連接導(dǎo)線與顯示儀表相連，熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線是顯示儀表的信號(hào)源，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶冷端接頭或補(bǔ)償導(dǎo)線接到儀表的端頭接觸不好，造成接觸電阻增大，即信號(hào)源內(nèi)阻增大。被測(cè)介質(zhì)溫度t和補(bǔ)償導(dǎo)線與顯示儀表的接點(diǎn)溫度t0不變，則熱電偶的熱電勢(shì)不變，但信號(hào)源內(nèi)阻增大時(shí)，內(nèi)阻上電壓增加，輸出到顯示儀表上的信號(hào)減小了，溫度指示會(huì)偏低。

熱電偶熱電極斷線或補(bǔ)償導(dǎo)線斷線，顯示儀表指示值無(wú)指示。

分析：熱電偶及補(bǔ)償導(dǎo)線是顯示儀表的信號(hào)源，熱電偶熱電極斷線或補(bǔ)償導(dǎo)線斷線，相當(dāng)于信號(hào)源內(nèi)阻為無(wú)窮大，熱電偶熱電勢(shì)全部加在內(nèi)阻上，輸出到顯示儀表的熱電勢(shì)為零，輸出到顯示儀表上的信號(hào)為零，顯示儀表無(wú)指示。

4 結(jié)論

在溫度測(cè)量過(guò)程中為提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，延長(zhǎng)熱電偶使用壽命，要求化工儀表維修工，不僅應(yīng)具備儀表操作技能，還應(yīng)具有利用所學(xué)知識(shí)來(lái)判斷故障位置，分析故障產(chǎn)生原因的能力，才能選擇合理的方法來(lái)排除故障。