熱電偶溫度測(cè)量異常分析與處理

摘" " 要：某船采用熱電偶測(cè)量發(fā)電機(jī)組的排氣溫度，在發(fā)電機(jī)組調(diào)試過程中，測(cè)量設(shè)備上顯示處于停機(jī)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組排氣溫度隨輔機(jī)艙溫度變化而反向變化。本文基于此故障現(xiàn)象，闡述了故障排查、故障復(fù)現(xiàn)、原因分析及處理方案，對(duì)故障進(jìn)行了處理并驗(yàn)證了處理結(jié)果，總結(jié)了發(fā)生該故障的原因和避免類似故障發(fā)生的措施。

關(guān)鍵詞：熱電偶；熱電效應(yīng)；冷端補(bǔ)償；補(bǔ)償導(dǎo)線；電纜接線

中圖分類號(hào)：U661.75 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)原理進(jìn)行測(cè)溫的傳感器，具有溫度范圍廣、成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易安裝、響應(yīng)快、適宜遠(yuǎn)距離測(cè)量和自動(dòng)控制的優(yōu)點(diǎn)，成為接觸式溫度測(cè)量的主力，應(yīng)用十分廣泛[1]。相比于其他溫度傳感器，熱電偶的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量范圍廣、構(gòu)造簡(jiǎn)單、使用方便，缺點(diǎn)是精度低、信號(hào)調(diào)理復(fù)雜、易受腐蝕、抗噪性差、需要冷端補(bǔ)償。熱電偶直接測(cè)量溫度，將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電勢(shì)信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度信號(hào)。由于熱電偶的熱電勢(shì)信號(hào)微弱，容易受到干擾而產(chǎn)生測(cè)量誤差，應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境的位置。因此，熱電偶適用于測(cè)量精度要求不高、測(cè)量范圍廣、弱磁場(chǎng)和弱噪聲環(huán)境、遠(yuǎn)距離測(cè)溫的場(chǎng)景。某船采用熱電偶測(cè)量燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的排氣溫度，在發(fā)電機(jī)組調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)溫度測(cè)量設(shè)備顯示的處于停機(jī)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組排氣溫度值隨輔機(jī)艙溫度變化而反向變化的異?，F(xiàn)象。經(jīng)故障排查、故障復(fù)現(xiàn)、原理分析，找到了故障原因，確定處理方案，對(duì)故障進(jìn)行了處理并驗(yàn)證了處理結(jié)果，解決了問題。

2" " 發(fā)電機(jī)組排氣溫度測(cè)量原理

2.1" "熱電偶工作原理

熱電偶利用熱電效應(yīng)——塞貝克（Seebeck） 效應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)溫。熱電效應(yīng)指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象。

1）溫差電效應(yīng)

溫差電效應(yīng)也稱為塞貝克效應(yīng)，是熱能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象。如圖1 a）所示，兩種導(dǎo)體A和B串聯(lián)成回路，當(dāng)兩個(gè)接頭1和2溫度不同時(shí)，則在導(dǎo)體B開路位置y和z之間產(chǎn)生一個(gè)電位差[1]：

當(dāng)?T=T1-T2不是很大時(shí)，這個(gè)關(guān)系就是線性的，即SAB為常數(shù)，定義為導(dǎo)體A、B的相對(duì)塞貝克系數(shù)，即[1]

（2）

若圖1中導(dǎo)體B的長(zhǎng)度為0，如圖1 b）所示， 得到單導(dǎo)體A的絕對(duì)塞貝克系數(shù)SA，定義式如下：

（3）

同理可得到單導(dǎo)體B的絕對(duì)塞貝克系數(shù)SB。

2）熱電偶測(cè)溫原理

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

當(dāng)冷端和熱端存在溫差時(shí)，在導(dǎo)體A、B分別產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)UA和UB，則冷端兩極之間的熱電動(dòng)勢(shì)?U為兩導(dǎo)體熱電動(dòng)勢(shì)之和，即：

（4）

測(cè)出?U，通過查相應(yīng)的分度表，得到熱端和冷端的溫度差?T，再測(cè)出冷端的溫度T2，得到熱端的溫度T1=?T+T2，這就是冷端補(bǔ)償[2]。

2.2" "發(fā)電機(jī)組排氣溫度測(cè)量原理

本船發(fā)電機(jī)組采用熱電偶測(cè)量作為測(cè)量排氣溫度傳感器，熱電偶與測(cè)量設(shè)備通過電纜連接，測(cè)量設(shè)備端設(shè)置冷端補(bǔ)償，如圖3所示。熱電偶熱端在發(fā)電機(jī)組內(nèi)部位于排氣溫度測(cè)量處，所在位置的溫度T1即為所需測(cè)量的發(fā)電機(jī)排氣溫度；熱電偶的冷端位于輔機(jī)艙，所在位置的溫度為T2，冷端補(bǔ)償設(shè)在測(cè)量設(shè)備端，所在位置的溫度為T3。

測(cè)量設(shè)備測(cè)出熱電偶產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)?U，解算出熱端與冷端的溫差值，經(jīng)冷端補(bǔ)償后得到測(cè)量的溫度值T1。

3" " "發(fā)電機(jī)組溫度測(cè)量異?，F(xiàn)象

本船修理期間，發(fā)電機(jī)組返廠修理，回裝后進(jìn)行調(diào)試，發(fā)現(xiàn)安裝在同一輔機(jī)艙內(nèi)的兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組（以下稱1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組）在各種狀態(tài)下測(cè)量設(shè)備顯示發(fā)電機(jī)組排氣溫度有以下三種現(xiàn)象：

現(xiàn)象一： 兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組均處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，測(cè)量設(shè)備顯示兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組的排氣溫度與環(huán)境溫度差異很??；

現(xiàn)象二：兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組均運(yùn)行時(shí)，測(cè)得兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組排氣溫度均達(dá)到400 ℃以上；

現(xiàn)象三：?jiǎn)?dòng)1號(hào)機(jī)組，2號(hào)機(jī)組停機(jī)時(shí)，測(cè)得1號(hào)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的排氣溫度在400 ℃以上，而2號(hào)機(jī)組排氣溫度隨輔機(jī)艙溫度上升而持續(xù)下降；1號(hào)機(jī)組停機(jī)后，2號(hào)機(jī)組排氣溫度隨輔機(jī)艙溫度下降而持續(xù)上升。

對(duì)于現(xiàn)象一，發(fā)電機(jī)組排氣和測(cè)量設(shè)備顯示的溫度相差很小，難以發(fā)現(xiàn)異常；對(duì)于現(xiàn)象二，發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定工作的排氣溫度是400 ℃以上，由于溫度太高，測(cè)量誤差幾十度很難察覺到異常；對(duì)于現(xiàn)象三，停機(jī)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)的排氣溫度與輔機(jī)艙溫度相差很小，但在輔機(jī)艙溫度變化時(shí)，排氣溫度反向變化，明顯與實(shí)際不符，很容易被發(fā)現(xiàn)。

4" " 發(fā)電機(jī)組溫度測(cè)量異常故障排查

4.1" "現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)

啟動(dòng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)，同一輔機(jī)艙內(nèi)處于停機(jī)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組的排氣溫度持續(xù)下降，運(yùn)行機(jī)組停機(jī)后又逐漸恢復(fù)；當(dāng)用手握住熱電偶接頭或用熱風(fēng)吹熱電偶接頭，也出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象；當(dāng)用手握住熱電偶接頭以外的部位或用熱風(fēng)吹熱電偶接頭以外的部位，未出現(xiàn)該現(xiàn)象。

停機(jī)狀態(tài)機(jī)組的熱電偶接頭處的溫度越高，測(cè)量設(shè)備顯示的溫度越低。

4.2" "故障排查

排除設(shè)備故障原因：由于所有發(fā)電機(jī)的熱電偶均出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，因此可初步判斷熱電偶和測(cè)量設(shè)備工作正常。

排除線路干擾：不運(yùn)行任何設(shè)備，僅啟動(dòng)測(cè)量設(shè)備，確保測(cè)量線路不受其他線路干擾，對(duì)熱電偶的接頭加熱，上述現(xiàn)象復(fù)現(xiàn)，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(bǔ)償導(dǎo)線短路、接觸不良、斷路故障、測(cè)量線路絕緣損壞、補(bǔ)償導(dǎo)線用錯(cuò)或極性接反進(jìn)行一一排查，確認(rèn)均為正常。

經(jīng)上述排查后，仍未找出故障原因，但從故障復(fù)現(xiàn)可確定熱電偶接頭是解決問題的關(guān)鍵點(diǎn)，將熱電偶接頭用隔熱材料包住后，避免輔機(jī)艙溫度升高對(duì)熱電偶接頭的影響，雖有一定效果，但仍未解決問題。

相關(guān)圖紙顯示連接熱電偶和測(cè)量設(shè)備的電纜為熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線，規(guī)格為1×1 mm+1×2.5 mm，兩芯線規(guī)格不同，由此判斷兩芯線作用不同，將兩芯線對(duì)調(diào)，再進(jìn)行異?，F(xiàn)象復(fù)現(xiàn)，故障現(xiàn)象消失，測(cè)量結(jié)果顯示正常。經(jīng)理論分析和計(jì)算，證明該處理方法是正確的，并且通過了驗(yàn)證。

5" " "發(fā)電機(jī)組溫度測(cè)量異常原因分析

由于對(duì)調(diào)芯線后故障現(xiàn)象消失，因此從熱電偶與測(cè)量設(shè)備的連接方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行分析。

5.1" "熱電偶與測(cè)量設(shè)備的連接方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

在熱電偶與測(cè)量設(shè)備正、負(fù)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(shù)相同，即S1=S2=S，測(cè)量設(shè)備測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)為：

（5）

式（5）說明測(cè)量結(jié)果與電纜無關(guān)，熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)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(bǔ)償導(dǎo)線正確連接，如圖5所示，熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)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(shù)相同，即S1 = SA，S2=SB，測(cè)量設(shè)備測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)為：

（6）

式（6）說明冷端由T2變?yōu)門3，補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶的兩個(gè)導(dǎo)體延長(zhǎng)到測(cè)量設(shè)備端。這說明熱電偶回路中熱電動(dòng)勢(shì)的大小，只與組成熱電偶的材料和兩端的溫度有關(guān)，而與熱電偶的長(zhǎng)度、直徑、形狀及中間連接點(diǎn)無關(guān)。

連接方式三：用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線錯(cuò)誤連接，如圖6所示，S1 = SB，S2=SA，則測(cè)量設(shè)備測(cè)得的熱電動(dòng)勢(shì)為：

（7）

由式（7）結(jié)果出現(xiàn)兩個(gè)參考溫度T2和T3，說明補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶錯(cuò)誤的連接無法得到正確的測(cè)量結(jié)果。

由以上三種連接方式可得，正負(fù)極接對(duì)的情況下，由式（5）、（6）、（7），解算結(jié)果為測(cè)量設(shè)備測(cè)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(fù)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(jié)果為測(cè)量設(shè)備測(cè)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(gè)結(jié)論：

結(jié)論1：式（9）中只含測(cè)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(cuò)誤的；

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

結(jié)論3：式（11）～（13）中T 與T2 符號(hào)相同，說明正負(fù)極接反的情況下，測(cè)量結(jié)果與熱電偶接頭溫度T2 同向變化。

由于連接熱電偶與測(cè)量設(shè)備的電纜為補(bǔ)償導(dǎo)線，由以上結(jié)論2，只有連接方式三的結(jié)果與異?，F(xiàn)象相符。根據(jù)式（10）分析，會(huì)產(chǎn)生與前述溫度測(cè)量完全吻合的異?，F(xiàn)象，具體分析如下：

1）當(dāng)沒有發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可認(rèn)為T1 = T2 = T3，測(cè)量設(shè)備顯示測(cè)得溫度為T =T1 + 2T3 - 2T2 = T1，與實(shí)際相符；

2）啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組后，輔機(jī)艙溫度逐漸升高，處于停機(jī)狀態(tài)的發(fā)電機(jī)組內(nèi)部溫升滯后于輔機(jī)艙，結(jié)果是熱電偶接頭處溫度高于熱端和測(cè)量設(shè)備端，即T2 ＞ T1， T2 ＞ T3，測(cè)量設(shè)備測(cè)得溫度為T =T1 + 2T3 - 2T2 ＜ T1，即測(cè)得的溫度下降，且T2 越大，T越?。?/p>

3）將電纜的兩芯線對(duì)調(diào)，即變成連接方式二，測(cè)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(guān)；

4）發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的排氣溫度高達(dá)400 ℃以上，不易判斷測(cè)量結(jié)果的正確性，可通過計(jì)算連接方式二和連接方式三測(cè)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(dāng)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，輔機(jī)艙溫度T2比測(cè)量設(shè)備端溫度T3高10 ℃～30 ℃，所以2（T2 - T3）=20 ℃～60 ℃。查閱對(duì)調(diào)芯線前后發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，得到下表所示數(shù)據(jù)。

從表中可看出2（T2 - T3）為29 ℃～49 ℃，與計(jì)算結(jié)果相符。

5.2" "故障原因

由以上分析可知，出現(xiàn)本文所述的異?，F(xiàn)象是由于接線方式錯(cuò)誤，而導(dǎo)致接線錯(cuò)誤的原因是不掌握熱電偶測(cè)溫原理，將補(bǔ)償導(dǎo)線當(dāng)成普通電纜，認(rèn)為只要電纜兩端正負(fù)極接對(duì)即可；檢查接線正確性時(shí)，也只是檢查極性的正確性。

為避免接線錯(cuò)，可采取以下措施：

1）熱電偶防接錯(cuò)設(shè)計(jì)：本船熱電偶帶有異徑接頭，補(bǔ)償導(dǎo)線的兩芯線直徑不同（規(guī)格為1×1mm+1×2.5mm），這可以認(rèn)為是一種防接錯(cuò)設(shè)計(jì)，但仍不能避免接錯(cuò)線，是存在缺陷的。熱電偶的防接錯(cuò)設(shè)計(jì)應(yīng)該限制錯(cuò)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(shè)置接線指示的永久標(biāo)識(shí)；

2）設(shè)置防接錯(cuò)標(biāo)識(shí)：接線圖中設(shè)置防接錯(cuò)標(biāo)識(shí)，指示正負(fù)極分別接補(bǔ)償導(dǎo)線的哪芯線。

6" " 驗(yàn)證

將對(duì)調(diào)芯線后的熱電偶測(cè)量端置于已知溫度的環(huán)境中，在測(cè)量裝置上顯示的溫度與在熱電偶測(cè)量端用溫度計(jì)測(cè)得的溫度是一致的，改變測(cè)量端的溫度，兩者測(cè)量的結(jié)果也是一致的，改變熱電偶接頭的溫度，測(cè)量值不變。由此可判斷對(duì)調(diào)芯線后的接線方式是正確的，測(cè)量結(jié)果是準(zhǔn)確的。

7" " 結(jié)論

1）接線錯(cuò)誤是本次故障的原因，而導(dǎo)致接線錯(cuò)誤的原因是不掌握熱電偶測(cè)溫原理而將補(bǔ)償導(dǎo)線當(dāng)成普通電纜接線；

2）采取熱電偶防接錯(cuò)設(shè)計(jì)、設(shè)置防接錯(cuò)標(biāo)識(shí)等措施，可有效避免類似故障的發(fā)生；

3）采用熱電偶測(cè)溫，應(yīng)掌握熱電偶測(cè)溫原理，熟悉熱電偶的特點(diǎn)。連接熱電偶與測(cè)量設(shè)備的電纜應(yīng)采用補(bǔ)償導(dǎo)線，接線時(shí)除了正負(fù)極不能接反，芯線材質(zhì)與熱電偶電極的材質(zhì)也要匹配，并在測(cè)量設(shè)備設(shè)置冷端補(bǔ)償。

本文分析的熱電偶六種接線方式對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，對(duì)故障排查和故障現(xiàn)象判斷具備實(shí)用價(jià)值。

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