热电偶测温系统中常见故障处理方法

热电偶测温系统中常见故障处理方法

陈永泉

国投新疆新疆罗布泊钾盐有限责任公司

摘要：温度测量技术的范围十分广泛，利用各种热电现象是温度测量的重要手段。热电偶因其温度范围广、低成本、结构简单、容易安装等优点成为接触式温度测量的主力。文章从测温原理、不同材料特性、测量电路以及物理、电气误差消除等方面对热电偶测温技术进行较全面分析介绍。

关键词：热电偶；测温系统；故障；处理

前言

温度测量技术的范围十分广泛，利用各种热电现象是温度测量的重要手段。通常情况下，温度测量可以与被测介质直接接触，在难以获得或不便获得的情况下，可以使用非接触的温度测量方法。基于测量设备和固体，液体或气体介质之间存在的接触性质，温度测量技术可分接触式、半接触式和非接触式三类，其中热电偶因其温度范围广、低成本、结构简单、容易安装等优点成为接触式温度测量的主力。

1热电偶测温的基本原理

热电偶测温的基本原理是两种不同材质的导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会产生电流通过，因此两端之间存在电动势———热电动势，这就是所谓的塞贝克效应。

如图1所示将不同材质的A和B两种导体首尾相连组成闭合回路，如果两个连接点(T1，T2)不同，则在回路中产生热电势E(t1t2)，形成热电流。热电偶就是将A、B两种不同的金属材料一端焊接而成，A、B称为热电极，焊接的一端直接接触被测热场的T1端称为工作端或测量端;未焊接的一端(接引线引入测量设备)处在恒定温度T2称为自由端或参考端。T1、T2的温差愈大，热电偶输出的热电势就愈大，通过测量热电势的大小间接得到温度的大小。国际上将热电偶的A、B热电极材料的不同分为若干分度号，如常用的K型(镍络－镍硅)、T(铜－康铜)等。并且有相应的分度表，即参考端温度为0时，测量端温度与热电势的对应关系，通过测量热电偶输出的热电动势值可由分度表得到相应的温度值。

图1热电偶测温原理图

2热电偶分类及其特性

图2中给出了不同材料相对于铂在0℃时温度升高过程中在连接点产生的感应电动势的变化。此图表可用于在热电偶的设计中帮助选择材料的组合。通常的目标是要达到最大热电动势，因此在选择热电极对时，尽量选择一个大的正电动势和一个热电偶可分为贵金属、廉金属、高温或难熔金属和非金属。贵金属是相对惰性，以铂为例，结束语其氧化温度在600℃以上。它们作为热电偶材料使用源于它们好的化学稳定性和高热电动势。某些基本金属如铜、铁、镍、铝和铬，以及它们的合金可用于生产热电偶，康铜、镍铬合金，尤其对中低温具有良好的热电特性。温度较高的场合，可以使用难熔金属如钨、铼、钼以及铼合金，其中钨和铼具有很高的熔点，分别为3410℃和3280℃，可单独或与其他材料合金成高温热电偶，这种金属很容易氧化，不能暴露在高温或氧化剂等易氧化环境中。非金属材料如碳、硼、碳化物和硼化物化合物通常脆性高和抗拉强度低，实际使用的非金属热电偶都是比较大的复合棒。

图2不同材料相对于铂在0℃时冷结处的热电势变化

3热电偶的应用

3.1测量现场的温度测量加热炉炉膛温度，要将热电偶插入到炉膛中，热电偶的热端处在加热炉的炉膛中，冷端在现场环境中。此时测温，一定要考虑到热电偶的冷端温度是否在零摄氏度，如果冷端不在零摄氏度要考虑冷端温度补偿。

3.2温度补偿的问题

当然温度补偿就需要用补偿导线来实现。那么，补偿导线的接线就需要特别注意。因为补偿导线有两个极分别是“+”极和“-”极，热电偶的热电极和补偿导线有同样的极，因此热电偶的补偿导线与热电偶在进行导线连接时一定要特别留意它们的极别，千万不可以接错。如果在现场无法区分的时候，要会利用万用表来判别热电偶的正极和负极。具体的操作方法是：把万用表的“+”表笔放在电压档的插孔中，把万用表的“-”表笔放在公共端孔中，“+”表笔和“-”表笔分别热电偶的两个热电偶丝接触，观察显示数值的极性，如果显示的数字前面是“+”，就能很快的判断出接红表笔的电极就是热电偶的正极；如果显示的数字前是“-”，就能很快的判断出接红表笔的电极就是热电偶的负极。热电偶补偿导线正、负怎么区分，一般是根据经验来区分的，一般是较硬的为正。

3.3补偿导线的选择问题

补偿导线的类别有C和X两种，C———补偿型，X———延伸型。如果采用的补偿导线是补偿型的，C后面字母和热电偶传感器的类型一致，如果不一致的话，就说明补偿导线选择的不正确，最终得出的测量结果并不是现场的实际温度。例如：用S热电偶测量温度，并没有选用S补偿导线，而是采用了K型补偿导线，这就相当于把K型热电偶的热电动势加在了S热电偶中。并且在0-100℃之间，K的毫伏值大于S的毫伏值，导致测量的结果比现场实际值高。

3.4热电偶的安装方式选择

安装方式的选择要结合现场的实际来选择，测量加热炉炉膛温度时，只要将热电偶安装在炉膛的炉壁上用石棉绳把空隙塞上就可以了。如果是高压场合就要选择法兰安装。在安装热电偶时，要具体的看管道的分布情况，如果是把热电偶安装在水平管道上，热电偶就要垂直的安装在管道的中心线处，这样测出的结果和现场的实际值偏差特别小。如果是把热电偶安装在垂直管道上，为了保证测量的准确度，就把热电偶安装在与管道中心线呈斜向下45度角的方向上。

3.5热电偶测量温度时，要想得到现场的实际温度，是需要经过计算的，在计算时要特别注意冷端温度

如果冷端的温度不是零摄氏度，就不能查热电偶温度-热电势曲线图，只有把冷端的补偿电势加进去才可以查表得出现场的实际温度。

3.6热电偶型号选择的问题

检测温度的元器件有金属测温热电阻和热电偶，根据金属电阻和电偶的组成材料来看，测温电阻检测的范围比较小。而现场实际的温度很多时候超过了1000℃，因此用热电阻测量温度已经不能满足现场的测温要求。而热电偶测温范围可以达到一千多度，可以对现场的很多测温点进行测量。为了得到更精确的结果，正确选择热电偶的型号，就显得非常重要。如果测量的温度在1600℃左右，就要选择B型热电偶；如果测量的温度在1400℃左右，就要选择S型热电偶；如果测量的温度在1200℃左右，就要选择K型热电偶。

结束语

热电偶本身产生的信号微弱，后续调理和数据远距离传输过程中很容易受干扰。传统的做法是将热电偶和测量装置用标称值相同的补偿导线连接，或者通过温度变送器把热电偶信号转换成电信号传输，但如果补偿导线过长会造成热电偶信号失真，测量的温度不准确，而且补偿导线和温度变送器都要考虑布线问题。而无线通信的方式能够解决上述复杂的布线问题，减少数据传输过程的信号干扰，降低测量成本，实现高速稳定的信号传输。因此，设计了一种无线传输的热电偶测温系统。

参考文献：

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［4］张华．热工测量仪表[M]．北京：机械工业出版社，2008．