熱電阻測量誤差與集中供熱系統常見(jiàn)故障分析

　　熱電阻是中低溫區常用的一種溫度檢測器，因其具備測量精度高、性能穩定等優(yōu)勢,已被當作數字化溫度測量的主要工具,廣泛應用于集中供熱系統中。目前,多數集中供熱企業(yè)換熱機組均將熱電阻作為數字化測溫工具。溫度數據是智能控制系統重要的基礎數據之一,直接反映了供熱效果,熱電阻測量的準確性至關(guān)重要。
1熱電阻元件測溫原理
　　金屬導體的一般特性如下:當溫度升高時(shí),其自身電阻值也隨之升高,根據這一特性,可以依據測量金屬導體溫度的電阻值從而計算出所處環(huán)境的溫度值，一般可以用以下關(guān)系式表示。
 
　　式中:Rt為熱電阻在某一溫度時(shí)的點(diǎn)阻值;Rt0為溫度0℃時(shí)對應電阻值;α為溫度系數。α值可由式(2)計算得出.
 
2熱電阻測量誤差與減小方式
2.1熱電阻測量誤差
(1)傳熱誤差。測量熱電阻溫度時(shí),一般情況被測介質(zhì)只要與環(huán)境溫度存在熱量差，就會(huì )通過(guò)熱電阻與環(huán)境產(chǎn)生一定的熱量交換，從而引起測量誤差，被測介質(zhì)與環(huán)境溫度相差越大,誤差值就會(huì )隨之增大。
(2)焦耳熱誤差。測量熱電阻阻值時(shí),要通過(guò)一定的電流，因此電阻就會(huì )產(chǎn)生熱量,熱電阻本身溫度升高會(huì )引起溫度測量的附加誤差，這就是焦耳熱誤差。一般情況下,這項誤差是很小的,約0.1℃,被測介質(zhì)溫度越低,焦耳熱造成的誤差也會(huì )越大。
(3)精度誤差。根據前文所述，可以通過(guò)測量熱電阻的阻值,運用公式計算得出某待測介質(zhì)的實(shí)時(shí)溫度。然而在實(shí)際生產(chǎn)運行中，熱電阻的電阻/溫度關(guān)系和標準的分度表存在一定的差值。相同精度等級下，隨著(zhù)溫度升高,阻值誤差和溫度誤差都有所提升;相同溫度下精度等級越低,產(chǎn)生的誤差就越大。
(4)導線(xiàn)電阻誤差。由熱電阻測溫原理可知,單獨的熱電阻無(wú)法完成整個(gè)測溫過(guò)程，因此需要利用相應的智能控制終端與之配套,以提供電壓源、測量電阻阻值和顯示計算溫度結果,這就需要使用導線(xiàn)將二者連接。熱電.阻正是通過(guò)測量電阻變化來(lái)計算溫度的精密儀器,其對電阻變化相對敏感,導線(xiàn)上的電阻也會(huì )參與溫度的計算之中。
　　由于在熱電阻的實(shí)際安裝使用過(guò)程中，集中控制器與熱電阻測量點(diǎn)一.般都會(huì )存在一定距離，因此在測量時(shí)會(huì )將熱電阻導線(xiàn)長(cháng)度產(chǎn)生的電阻值計算在內，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,造成測量誤差。這種接線(xiàn)方法雖然很簡(jiǎn)單,但由于導線(xiàn)存在電阻影響計量結果，這種接線(xiàn)方式將大大增加熱電阻的測量誤差，因此這種接線(xiàn)方式只適用于測量精度要求較低的場(chǎng)合。
2.2減小測量誤差的方式
　　測量誤差可以分為電阻自身因素產(chǎn)生的誤差和外部因素產(chǎn)生的誤差兩種。自身因素產(chǎn)生的測量誤差是熱電阻本身特質(zhì)屬性引起的，無(wú)法通過(guò)改變外界條件而大幅降低，而外部因素產(chǎn)生的測量誤差則可以通過(guò)一些補償措施、運用技術(shù)手段將誤差降至最低，甚至完全消除。
(1)減小自身因素產(chǎn)生的誤差。①焦耳熱誤差其大小因流過(guò)的電流大小而不同,這個(gè)誤差無(wú)法消除,只能限制溫升的數值。為了減小焦耳熱誤差,在工業(yè)上使用金屬熱電阻,一般要求限制電流小于6mA(一般取3mA),對于導熱性能較差的半導體電阻和碳電阻溫度計，限制電流在微安數量級。與此同時(shí),通過(guò)選擇如鉑金屬等高品質(zhì)的金屬材料作為熱電阻的制作原料，即可減小熱電阻本身產(chǎn)生的焦耳熱,從而減小焦耳熱誤差。②在實(shí)際使用熱電阻的過(guò)程中,可以根據不同的測溫環(huán)境狀況、精度等級要求以及成本控制需求，根據實(shí)際情況選擇不同精度等級的熱電阻。精度等級越高的熱電阻其測溫結果就越精確,而其對使用環(huán)境的要求以及購置成本也就相對越高，在條件允許的前提下選擇高精度等級的熱電阻，可以降低精度誤差對測溫結果產(chǎn)生的影響。
(2)減小外部因素產(chǎn)生的誤差。①測點(diǎn)的安裝布局和溫度測量方式的選擇會(huì )較大程度上影響傳熱誤差，為了降低傳熱誤差造成的影響，可以通過(guò)-.些措施以減少與周?chē)h(huán)境之間的熱量傳遞。比如,可以在安裝有熱電阻的管道上加強管壁保溫措施,減小管壁像外界散熱量。②在使用傳統的二線(xiàn)制接線(xiàn)方法測量熱電阻的阻值時(shí)，由于導線(xiàn)電阻存在，無(wú)法避免地會(huì )引起比較大的導線(xiàn)電阻誤差。除通過(guò)改變導線(xiàn)材質(zhì)和長(cháng)度來(lái)減小導線(xiàn)電阻誤差之外.,還可以采用改變外部接線(xiàn),使用技術(shù)手段和等效計算對導線(xiàn)電阻進(jìn)行補償和抵消的方法來(lái)降低導線(xiàn)電阻誤差。
　　第一,三線(xiàn)制接線(xiàn)法。在一個(gè)熱電阻元件的兩顆引出線(xiàn)中,選擇一根引出線(xiàn)連接-顆導線(xiàn),另一根引出線(xiàn)連接兩顆導線(xiàn)，一共引出三顆導線(xiàn)的接線(xiàn)方法稱(chēng)為三線(xiàn)制接法,這種方法是-般采用電橋進(jìn)行測量。測量過(guò)程中,將一顆導線(xiàn)連接至電橋的電源點(diǎn)，另外兩根導線(xiàn)連接至電橋的兩個(gè)橋臂上，當三顆導線(xiàn)電阻值一致時(shí)就可以對導線(xiàn)線(xiàn)路自身的電阻值忽略不計，從而消除導線(xiàn)電阻造成的測量誤差。
 
　　由式(3)可以看出,三線(xiàn)制接法中,導線(xiàn)電阻的變化不會(huì )對測量結果產(chǎn)生影響。但是三線(xiàn)制接法可以消除導線(xiàn)電阻影響的前提是,三條導線(xiàn)的電阻完全相等,否則不可能完全消除導線(xiàn)對電阻的影響。但是分析可見(jiàn),采用三線(xiàn)制接法會(huì )顯著(zhù)減小導線(xiàn)電阻造成的誤差。
　　第二,四線(xiàn)制接線(xiàn)法。在熱電阻元件的兩顆引出線(xiàn)上分別連接兩顆導線(xiàn)，一共引出四顆導線(xiàn)的接線(xiàn)方法稱(chēng)為四線(xiàn)制接法。引出的四顆導線(xiàn)其中兩顆為熱電阻提供電流,把測量電阻值轉換為測量電壓值,再通過(guò)另兩顆引出線(xiàn)把測量的電壓信號引至二次儀表，這種接線(xiàn)方法可以將引出導線(xiàn)的電阻影響幾乎完全消除。
　　四線(xiàn)制接線(xiàn)法是熱電阻測溫理想的接線(xiàn)方式，熱電阻的電阻值Rt可由式(4)表示:
 
　　由此可知,四線(xiàn)制接線(xiàn)法測量電阻時(shí),計算過(guò)程與導線(xiàn)電阻無(wú)任何關(guān)系，因此這種接線(xiàn)方式不需要考慮導線(xiàn)長(cháng)度及導線(xiàn)長(cháng)度和電阻是否相等，四線(xiàn)制接線(xiàn)法不受連接導線(xiàn)的電阻影響，可以完全消除導線(xiàn)電阻引起的測量誤差。
3集中供熱系統常見(jiàn)故障
3.1顯示儀表指示值比實(shí)際值低
　　根據電阻與溫度的線(xiàn)性關(guān)系可以看出,顯示值比實(shí)際值低是因為電阻值比實(shí)際應測得的電阻值偏小,那么可以根據這個(gè)原理查找造成電阻減小的原因來(lái)排除故障。
(1)熱電阻元件在被測介質(zhì)中的插深不足,或沒(méi)有完全浸沒(méi)在被測介質(zhì)中。針對此類(lèi)問(wèn)題可以根據被測介質(zhì)的實(shí)際情況,選擇使用合適尾長(cháng)的熱電阻器件,安裝時(shí)保證熱電阻與被測介質(zhì)充分接觸。另外,應及時(shí)清理保護套管內的污物,防止對熱電阻測量電路造成影響,減小測量電阻值。
(2)保護套管內積水。在換熱站中經(jīng)常由于管道施工,導致管道內存水流出,進(jìn)入熱電阻套管內。發(fā)現問(wèn)題時(shí)，應及時(shí)清理套管內的積水并通過(guò)措施使其套管內完全干燥。
(3)熱電阻引線(xiàn)間短路或對地短路。當發(fā)現熱電阻引線(xiàn)間短路或對地短路時(shí),可以使用萬(wàn)用表檢查測量,從而找到短路或接地部位并加以消除。如發(fā)現短路部分在熱電阻內部，則應更換熱電阻。
3.2測量值比實(shí)際值偏大
　　同樣地,根據熱電阻測溫原理,顯示值比實(shí)際值偏大是因為測量電阻值比實(shí)際熱電阻值偏大，那么就可以推斷其偏大原因并予以修正。
(1)熱電阻引出線(xiàn)發(fā)生斷路。如經(jīng)檢查發(fā)現引出線(xiàn)至測量?jì)x表之間發(fā)生斷路,可以用萬(wàn)用表檢查,找出斷路部位后,按照規范的接線(xiàn)方法連接固定,如經(jīng)檢查發(fā)現為熱電阻內部斷路,應更換熱電阻。
(2)熱電阻虛接。熱電阻接線(xiàn)端子虛接或接觸不良時(shí)應檢查接線(xiàn)端子及導線(xiàn),去除氧化部分,同時(shí)緊固接線(xiàn)端子,防止故障再次發(fā)生。
3.3顯示儀表指示負值或示值不穩
(1)熱電阻測量回路接線(xiàn)錯誤。處理方法為使用萬(wàn)用表檢查熱電阻回路,恢復正確接線(xiàn)順序。
(2)熱電阻測量回路有干擾。集中供熱系統中電氣系統眾多,包括各種信號傳輸、采集設備以及高壓設備,尤其是變頻器,將對周邊信號傳輸造成極大的干擾,因此也會(huì )對熱電阻的測量造成干擾。當發(fā)生信號干擾時(shí),可以通過(guò)熱電阻測量回路使用屏蔽電纜，并將電纜屏蔽層可靠接地，并適當增大與動(dòng)力電纜之前的距離或增強隔離等.措施。
4結束語(yǔ)
　　在選擇熱電阻時(shí),要考慮測量的精度要求、使用環(huán)境等因素,根據實(shí)際需要選擇合適的熱電阻元件、精度等級及熱電阻尺寸型號等。在達到測量要求的基礎上盡可能降低購置成本。在接線(xiàn)方式上,三線(xiàn)制具有測量誤差小、接線(xiàn)工作量、線(xiàn)纜成本較四線(xiàn)制接線(xiàn)法成本低等優(yōu)勢,因此在工業(yè)上一般采用三線(xiàn)制的接線(xiàn)方法。隨著(zhù)科技的發(fā)展,熱電阻的測量精度將逐步提高,減小測量誤差的技術(shù)也將更豐富。此外,在安裝和使用熱電阻的過(guò)程中，要按照規程操作,盡量避免故障和數據錯誤。