熱電偶典型故障判斷與成因

摘要:熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎來(lái)進(jìn)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?jì)x表的導線(xiàn)組成的。因此，顯示儀表的示值變化可以反映測溫系統出現的故障。熱電偶的典型故障為顯示儀表示值溫度偏低或偏高、顯儀表示值不穩定或無(wú)指示。造成這種故障的主要原因是補償導線(xiàn)極性與熱電偶極性接反、補償導線(xiàn)與熱電偶型號不匹配以及短路、斷線(xiàn)或接觸不良等?；x表維修工不僅應具備儀表操作技能，還需要利用所學(xué)知識來(lái)判斷故障位置，分析故障產(chǎn)生原因，選擇合理的方法來(lái)排除故障。
　　熱電偶溫度計是以熱電效應為基礎來(lái)進(jìn)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?jì)x表的導線(xiàn)組成的測溫系統。因此，測溫系統出現的故障可以通過(guò)顯示儀表的示值變化反映出來(lái)。如果熱電偶輸出電勢不正?；驘o(wú)電勢輸出，那么顯示儀表的示值溫度會(huì )出現偏低或偏高、示值不穩定或無(wú)指示的情況?；x表維修人員可以根據顯示儀表反映出來(lái)的故障現象，分析故障原因，判斷熱電偶及補償導線(xiàn)的故障位置，對其進(jìn)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(xiàn)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)熱電偶熱電勢比實(shí)際值小，顯示儀表指示值偏低，通常顯示為室溫"。
1.1.2熱電偶補償導線(xiàn)短路
　　由于熱電偶與補償導線(xiàn)連接時(shí),操作者不注意或熱電偶接頭部分不干凈、接線(xiàn)盒保護蓋未蓋好受潮、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,測量溫度為接線(xiàn)盒處溫度或環(huán)境溫度，比被測介質(zhì)溫度低。因此熱電勢比實(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(xiàn)盒保護蓋未蓋好進(jìn)人水汽造成短路，則應進(jìn)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(xiàn)盒接線(xiàn)柱處積有灰塵、雜質(zhì)造成短路,則應清掃灰塵，清潔接線(xiàn)柱，排除短路原因;如果是補償導線(xiàn)短路，可以找出短路點(diǎn)，進(jìn)行絕緣處理或更換補償導線(xiàn)。
1.2接觸不良
　　因補償導線(xiàn)和熱電偶的導線(xiàn)都比較硬，不容易緊固連接,造成補償導線(xiàn)與熱電偶接頭或補償導線(xiàn)連接到儀表的接頭接觸不良。熱電偶熱電勢不變,但接觸不良造成按觸電阻增加，顯示儀表示值溫度會(huì )低于實(shí)際溫度或者輸出不穩定。處理方法:將接線(xiàn)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(diǎn)并予以消除。
　　如果需要長(cháng)距離敷設補償導線(xiàn)，而補償導線(xiàn)長(cháng)度不夠,需要接線(xiàn)時(shí)，操作者將2根補償導線(xiàn)接頭處連接，然后包扎絕緣后投人使用,但是使用一段時(shí)間之后發(fā)現測量值偏離實(shí)際值，測量誤差很大。這種狀況正確的處理方法:要延長(cháng)補償導線(xiàn)的長(cháng)度,應將相同型號的補償導線(xiàn)與原補償導線(xiàn)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(diǎn)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(xiàn);其他原因有保護套管破裂，使熱電極被氧化劣化而斷線(xiàn);絕緣管移位、錯位，對熱電偶熱電極施加扭曲力而斷線(xiàn)。
　　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(kāi)時(shí)顯示儀表無(wú)指示時(shí)，處理方法如下。
　　拆開(kāi)補償導線(xiàn)與熱電偶的連接點(diǎn)，在常溫下用萬(wàn)用表歐姆檔測量熱電偶的2個(gè)冷端電阻，判斷是否斷線(xiàn)。如果阻值顯示為無(wú)窮大,說(shuō)明熱電偶熱電極斷線(xiàn)，找到熱電偶斷線(xiàn)處，剪去電極端頭重新焊接。焊接時(shí)要求測量端焊接牢固，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(xiàn)路絕緣損壞
　　在熱電偶安裝使用過(guò)程中，會(huì )出現熱電偶接線(xiàn)盒處和其他地方補償導線(xiàn)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--般低于實(shí)際溫度或輸出不穩定。處理方法:用兆歐表測量補償導線(xiàn)與儀表外殼或補償導線(xiàn)與補償導線(xiàn)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(diǎn)，重新進(jìn)行絕緣處理。
1.5熱電偶與補償導線(xiàn)型號不匹配
　　此時(shí)熱電勢值高于或低于實(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，補償導線(xiàn)。
1.6補償導線(xiàn)用錯或極性接反
　　此時(shí)熱電勢值高于或低于實(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(kāi)補償導線(xiàn)與熱電偶接點(diǎn)重新接線(xiàn)，使熱電偶的正極、負極與補償導線(xiàn)正極、負極對應相接或更換熱電偶及補償導線(xiàn)。
　　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(huì )判斷故障點(diǎn)的位置，會(huì )處理解決問(wèn)題,還要會(huì )對故障出現的原因進(jìn)行分析。
2典型故障原因分析.
2.1熱電偶的冷端溫度補償
　　在熱電偶、顯示儀表以及連接熱電偶和測量?jì)x表的導線(xiàn)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(diǎn)熱電勢的代數和.E(t,t0)=eAB(t)-eAB(t0),其中eAB(t0)為被測介質(zhì)的溫度為t時(shí):工作端的熱電勢，eAB(t0)為冷端溫度為to時(shí)的熱電勢。當冷端溫度t0不變時(shí),熱電勢為被測介質(zhì)溫度的單值函數關(guān)系。
　　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(zhì)溫度之間一一對應的函數關(guān)系。用熱電偶測量被測介質(zhì)溫度時(shí)，如果要直接查閱熱電偶的分度表，就必須滿(mǎn)足冷端溫度為0℃。
　　但在實(shí)際測溫時(shí)，熱電偶長(cháng)度通常很短，只需要滿(mǎn)足插人深度即可。熱電偶的冷端即接線(xiàn)盒處的連接點(diǎn),在工作現場(chǎng)靠近設備或管道,因此冷端溫度受環(huán)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(chǎn)生附加電勢，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由于冷端熱電勢的增加而減小。
　　因此在應用熱電偶測溫時(shí),要采取措施消除冷端溫度不恒定或不為0℃時(shí)所產(chǎn)生附加電勢的影響，即要對熱電偶進(jìn)行冷端溫度補償。常用補償方法有補償導線(xiàn)法、校正儀表零點(diǎn)法、補償電橋法和補償熱電偶法。
　　補償導線(xiàn)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-熱電勢關(guān)系。由于補償導線(xiàn)與熱電偶具有相同的溫度-熱電勢關(guān)系，補償導線(xiàn)連接熱電偶與顯示儀表時(shí)，將產(chǎn)生熱電勢E補(t1，t0)。在0℃~100℃時(shí)，E補(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E(t,to),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。
 
　　如圖1所示:t為工作端即被測介質(zhì)溫度，t1為熱電偶冷端(接線(xiàn)盒處)溫度,t0為溫度恒定的控制室內補償導線(xiàn)與顯示儀表的接線(xiàn)端溫度。
 
　　由此可見(jiàn)補償導線(xiàn)的作用,熱電偶的熱電勢與熱端即被.測介質(zhì)溫度t和控制室內補償導線(xiàn)與顯示儀表的接線(xiàn)端溫度T0有關(guān)，與熱電偶冷端(接線(xiàn)盒處)溫度t1無(wú)關(guān)，即補償導線(xiàn)將熱電偶的冷端延伸至了溫度為t0的控制室內補償導線(xiàn)與顯示儀表的接線(xiàn)端。
　　使用補償導線(xiàn)時(shí)，要注意補償導線(xiàn)與熱電偶型號要匹配;還要注意補償導線(xiàn)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(xiàn)使用環(huán)境溫度不能超過(guò)100℃，否則會(huì )出現測量誤差回。
　　根據熱電偶典型故障現象與處理方法可見(jiàn),補償導線(xiàn)與熱電偶不配套或者極性接反、接觸不良、斷線(xiàn)會(huì )造成熱電偶的熱電勢低于或高于實(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?通過(guò)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(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，等于該熱電偶在接點(diǎn)溫度分別為t、t1和t、t0時(shí)產(chǎn)生的熱電勢的代數和。
 
　　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;E(t,t1)為熱電偶工作端溫度為t，冷端溫度為t時(shí)回路總熱電勢;E(t,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。
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(J型熱電偶配套)的補償導線(xiàn),極性連接正確儀表示值如何變化?
 
　　分析:設工作端溫度為t,冷端溫度t=40℃，補償導線(xiàn)與顯示儀表的接線(xiàn)端溫度t0=20℃。
　　如果熱電偶與補償導線(xiàn)極性連接正確,根據中間溫度定律，回路總電勢如下。
 
注:Ex(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。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;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;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;E](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;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;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。
查E型和K型熱電偶的分度表:
EJ(40，0)=2.059mV;Ej(20,0)=1.019mV
EK(40,0)=1.612mV;EK(20，0)=0.879mV
△E=(2.459mV-1.019mV)-(1.612mV-0.879mV)=1.04-0.733=0.307>0
　　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(xiàn)，回路總電勢偏大，儀表示值溫度將高于實(shí)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(xiàn)，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(xiàn)，回路總電勢偏小，儀表示值溫度將低于實(shí)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(xiàn)(與J型熱電偶配套),但極性接反，回路電勢如何變化?
 
　　若極性連接正確，回路總電勢如下
 
若t1>t0，則△E<0,儀表顯示溫度低于實(shí)際測量溫度。
若t1>t0，則△E>0,儀表顯示溫度高于實(shí)際測量溫度
若t1>t0，則△E=0，儀表顯示溫度與實(shí)際溫度相同。
　　結論:補償導線(xiàn)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(shí)際溫度的主要原因。
　　補償導線(xiàn)與熱電偶冷端接頭或補償導線(xiàn)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)補償導線(xiàn)、連接導線(xiàn)與顯示儀表相連，熱電偶及補償導線(xiàn)是顯示儀表的信號源，補償導線(xiàn)與熱電偶冷端接頭或補償導線(xiàn)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(zhì)溫度t和補償導線(xiàn)與顯示儀表的接點(diǎn)溫度t0不變，則熱電偶的熱電勢不變,但信號源內阻增大時(shí)，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(huì )偏低。
熱電偶熱電極斷線(xiàn)或補償導線(xiàn)斷線(xiàn)，顯示儀表指示值無(wú)指示。
　　分析:熱電偶及補償導線(xiàn)是顯示儀表的信號源，熱電偶熱電極斷線(xiàn)或補償導線(xiàn)斷線(xiàn)，相當于信號源內阻為無(wú)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(wú)指示。
4結論
　　在溫度測量過(guò)程中為提高測量精度，減少測量誤差,延長(cháng)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(xué)知識來(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。