熱電偶典型故障判斷與成因分析

史惠霞

（寧夏工業職業學院，寧夏 銀川 750021）

熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎來進行溫度測量的。它是由熱電偶、顯示儀表以及連接熱電偶和測量儀表的導線組成的測溫系統。因此，測溫系統出現的故障可以通過顯示儀表的示值變化反映出來。如果熱電偶輸出電勢不正?；驘o電勢輸出，那么顯示儀表的示值溫度會出現偏低或偏高、示值不穩定或無指示的情況?；x表維修人員可以根據顯示儀表反映出來的故障現象，分析故障原因，判斷熱電偶及補償導線的故障位置，對其進行檢查和修復。

1 熱電偶典型故障現象及處理方法

1.1 熱電偶或補償導線短路

1.1.1 熱電偶兩極之間短路

熱電極2個電極間絕緣損壞發生短路，短路嚴重時，顯示儀表會指示短路部位的溫度。此時熱電偶熱電勢比實際值小，顯示儀表指示值偏低，通常顯示為室溫[1]。

1.1.2 熱電偶補償導線短路

由于熱電偶與補償導線連接時，操作者不注意或熱電偶接頭部分不干凈、接線盒保護蓋未蓋好受潮、在接頭處掉進金屬雜質所造成短路。此時熱電偶被短接，測量溫度為接線盒處溫度或環境溫度，比被測介質溫度低。因此熱電勢比實際值小，顯示儀表示值溫度低于實際溫度。

處理方法：熱電偶兩極之間短路，如果是接線盒保護蓋未蓋好進入水汽造成短路，則應進行干燥處理；如熱電偶絕緣子損壞造成短路，則應更換絕緣子；如果是熱電偶的接線盒接線柱處積有灰塵、雜質造成短路，則應清掃灰塵，清潔接線柱，排除短路原因；如果是補償導線短路，可以找出短路點，進行絕緣處理或更換補償導線。

1.2 接觸不良

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

處理方法：將接線柱螺絲擰緊或將熱電偶的熱電極從保護套管中取出，找出故障點并予以消除。

如果需要長距離敷設補償導線，而補償導線長度不夠，需要接線時，操作者將2根補償導線接頭處連接，然后包扎絕緣后投入使用，但是使用一段時間之后發現測量值偏離實際值，測量誤差很大。這種狀況正確的處理方法：要延長補償導線的長度，應將相同型號的補償導線與原補償導線正極與正極相接、負極與負極相連接，絞緊焊接，做絕緣處理，保證接點處接觸電阻在規 定范圍內方可投入使用。

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了斷線；其他原因有保護套管破裂，使熱電極被氧化劣化而斷線；絕緣管移位、錯位，對熱電偶熱電極施加扭曲力而斷線。

如果熱電極將斷未斷，熱電勢輸出不穩定，顯示儀表的示值不穩定；當徹底斷開時顯示儀表無指示時，處理方法如下。

拆開補償導線與熱電偶的連接點，在常溫下用萬用表歐姆檔測量熱電偶的2個冷端電阻，判斷是否斷線。如果阻值顯示為無窮大，說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。焊接時要求測量端焊接牢固，有金屬光澤、表面光滑，無玷污變質、夾渣和裂紋。如果保護套管與內部絕緣管膨脹系數不一致，應將保護套管內的絕緣管換成與保護套管相同材料的絕緣管，或者將保護套管換成與絕緣管相同材料的保護套管，使二者熱膨脹系數一致。比如Al2O3保護套管用Al2O3材料的絕緣管。

1.4 測量線路絕緣損壞

在熱電偶安裝使用過程中，會出現熱電偶接線盒處和其他地方補償導線絕緣層破損、漏電、接地現象。故障現象表現為顯示儀表顯示值溫度一般低于實際溫度或輸出不穩定。

處理方法：用兆歐表測量補償導線與儀表外殼或補償導線與補償導線之間的絕緣電阻是否減小，常溫下，絕緣電阻應不小于5MΩ。判斷是否有接地現象，找到絕緣層破損點，重新進行絕緣處理。

1.5 熱電偶與補償導線型號不匹配

此時熱電勢值高于或低于實際值，顯示儀表示值溫度高于或低于實際溫度。處理方法：更換與熱電偶相配套，補償導線。

1.6 補償導線用錯或極性接反

此時熱電勢值高于或低于實際值，顯示儀表示值溫度高于或低于實際溫度。

處理方法：拆開補償導線與熱電偶接點重新接線，使熱電偶的正極、負極與補償導線正極、負極對應相接或更換熱電偶及補償導線。

以上熱電偶測溫系統出現的典型故障現象，作為檢修操作人員不僅要會判斷故障點的位置，會處理解決問題，還要會對故障出現的原因進行分析。

2 典型故障原因分析

2.1 熱電偶的冷端溫度補償

在熱電偶、顯示儀表以及連接熱電偶和測量儀表的導線組成的測溫系統中，由熱電偶測溫原理可知，熱電偶回路總熱電勢是熱電偶工作端和冷端接點熱電勢的代數和，其中eAB（t）為被測介質的溫度為t時工作端的熱電勢，eAB（t0）為冷端溫度為t0時的熱電勢。當冷端溫度t0不變時，熱電勢為被測介質溫度的單值函數關系[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℃，測量出熱電偶的熱電勢，從而得到的熱電勢與被測介質溫度之間一一對應的函數關系。用熱電偶測量被測介質溫度時，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℃。

但在實際測溫時，熱電偶長度通常很短，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，在工作現場靠近設備或管道，因此冷端溫度受環境溫度和設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，因此產生附加電勢，產生誤差。一般情況下，冷端溫度均高于0℃，熱電偶回路總熱電勢由于冷端熱電勢的增加而減小。

因此在應用熱電偶測溫時，要采取措施消除冷端溫度不恒定或不為0℃時所產生附加電勢的影響，即要對熱電偶進行冷端溫度補償。常用補償方法有補償導線法、校正儀表零點法、補償電橋法和補償熱電偶法[3]。

補償導線是由2種自由電子密度比不同的廉價金屬材料制成的，在0℃～100℃與所配接的熱電偶具有相同的溫度 -熱電勢關系。由于補償導線與熱電偶具有相同的溫度-熱電勢關系，補償導線連接熱電偶與顯示儀表時，將產生熱電勢E補（t1，t0）。在0℃～100℃時，E補（t1，t0）等于熱電偶工作端、冷端在相同接點溫度下產生的熱電勢E（t1，t0），根據熱電偶中間溫度定律，熱電偶測溫回路總的熱電勢計算如下[3]。

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

圖1 熱電偶測溫回路

由此可見補償導線的作用，熱電偶的熱電勢與熱端即被測介質溫度t和控制室內補償導線與顯示儀表的接線端溫度t0有關，與熱電偶冷端（接線盒處）溫度t1無關，即補償導線將熱電偶的冷端延伸至了溫度為t0的控制室內補償導線與顯示儀表的接線端。

使用補償導線時，要注意補償導線與熱電偶型號要匹配；還要注意補償導線的正、負極必須與熱電偶的正、負極對應相接，極性不能接反。而且要注意熱電偶補償導線使用環境溫度不能超過100℃，否則會出現測量誤差[3]。

根據熱電偶典型故障現象與處理方法可見，補償導線與熱電偶不配套或者極性接反、接觸不良、斷線會造成熱電偶的熱電勢低于或高于實際值，使顯示儀表的示值溫度偏高或偏低甚至無指示，這是為什么呢？筆者通過熱電偶的基本定律之一（中間溫度定律）或者信號源與負載之間的關系來進行分析。

2.2 中間溫度定律

熱電偶工作端與冷端接點溫度為t、t0的熱電偶產生的熱電動勢，等于該熱電偶在接點溫度分別為t、t1和t1、t0時產生的熱電勢的代數和[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時回路總熱電勢；E（t，t1）為熱電偶工作端溫度為t，冷端溫度為t1時回路總熱電勢；E（t1，t0）為熱電偶工作端溫度為t1，冷端溫度為t0時回路總熱電勢。

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：分度號為K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶誤配JX型（J型熱電偶配套）的補償導線，極性連接正確儀表示值如何變化?

圖2 K型熱電偶誤配JX型補償導線測溫回路

分 析：設工作端溫度為t，冷端溫度t1=40℃，補償導線與顯示儀表的接線端溫度t0=20℃。

如果熱電偶與補償導線極性連接正確，根據中間溫度定律，回路總電勢如下。

E（t，20）=EK（t，40）+EK（40，20）

現在誤用JX補償導線，與之相互配的J型熱電偶的熱電勢為EJ（40，20），回路總電勢如下。

E′（t，20）=EK（t，40）+EJ（40，20）

則回路總電勢誤差計算如下。

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℃時熱電勢。EJ（40，20）為J型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為20℃時熱電勢；EK（40，20）為K型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為20℃時熱電勢；EJ（40，0）為J型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為0℃時熱電勢；EJ（20，0）為J型熱電偶工作端溫度為20℃，冷端溫度為0℃時熱電勢；EK（40，0）為K型熱電偶工作端溫度為40℃，冷端溫度為0℃時熱電勢；EK（20，0）為K型熱電偶工作端溫度為20℃，冷端溫度為0℃時熱電勢。

查E型和K型熱電偶的分度表：

結論：熱電勢低的熱電偶用了熱電勢高的熱電偶的補償導線，回路總電勢偏大，儀表示值溫度將高于實際溫度。

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

結論：熱電勢高的熱電偶用了熱電勢低的熱電偶的補償導線，回路總電勢偏小，儀表示值溫度將低于實際溫度。

如圖3所示。分度號為J型（鐵-康銅）熱電偶配用JX型的補償導線（與J型熱電偶配套），但極性接反，回路電勢如何變化?

圖3 分度號為J型配用JX型的補償導線極性接反

若極性連接正確，回路總電勢如下。

注：EJ（t，t1）為J型熱電偶工作端溫度為t，冷端溫度為t1時的熱電勢。

EJX（t1，t0）為JX型補償導線工作端溫度為t1，冷端溫度為t0時的熱電勢。

EJ（t1，t0）為J型熱電偶工作端溫度為t1，冷端溫度為t0時的熱電勢。

EJX（t1，t0）=EJ（t1，t0）

若補償導線極性接反，回路總電勢的計算如下。

E′（t，t0）=EJ（t，t1）-EJ（t1，t0）

回路電勢誤差計算如下。

若t1＞t0，則ΔE＜0，儀表顯示溫度低于實際測量溫度。

若t1＜t0，則ΔE＞0，儀表顯示溫度高于實際測量溫度

若t1=t0，則ΔE=0，儀表顯示溫度與實際溫度相同。

結論：補償導線與熱電偶極性接反是造成熱電偶的熱電勢升高或者減小、顯示儀表示值溫度高于或低于實際溫度的主要原因。

補償導線與熱電偶冷端接頭或補償導線接到儀表的端頭接觸不良，顯示儀表指示值低于實際溫度。

分析：熱電偶通過補償導線、連接導線與顯示儀表相連，熱電偶及補償導線是顯示儀表的信號源，補償導線與熱電偶冷端接頭或補償導線接到儀表的端頭接觸不好，造成接觸電阻增大，即信號源內阻增大。被測介質溫度t和補償導線與顯示儀表的接點溫度t0不變，則熱電偶的熱電勢不變，但信號源內阻增大時，內阻上電壓增加，輸出到顯示儀表上的信號減小了，溫度指示會偏低。

熱電偶熱電極斷線或補償導線斷線，顯示儀表指示值無指示。

分析：熱電偶及補償導線是顯示儀表的信號源，熱電偶熱電極斷線或補償導線斷線，相當于信號源內阻為無窮大，熱電偶熱電勢全部加在內阻上，輸出到顯示儀表的熱電勢為零，輸出到顯示儀表上的信號為零，顯示儀表無指示。

4 結論

在溫度測量過程中為提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求化工儀表維修工，不僅應具備儀表操作技能，還應具有利用所學知識來判斷故障位置，分析故障產生原因的能力，才能選擇合理的方法來排除故障。