工业热电偶测温原理及故障分析

张利军

摘要：热电偶是一种非常重要的测温元件，具有较为广泛的测量范围，且应用原理相对简单，易于安装，已经在电力生产行业及其他各类工业领域中实现了规模化应用，然而其在实际应用阶段仍然存在诸多问题。下文将简要介绍工业热电偶的测温原理、种类及结构形式，同时结合工程实际，明确常见的工业热电偶故障问题及处理措施，让工业热电偶得以发挥实效。

关键词：工业热电偶测温原理故障分析结构形式

中图分类号： TH811文献标识码：A   文章编号：1672-3791（2022）01（b）-0000-00

Temperature Measurement Principle and Fault Analysis of Industrial Thermocouple

ZHANG Lijun

（Beijing Guodian Electric Power Co.， Ltd. Shangwan Thermal Power Plant， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017200 China）

Abstract： Thermocouple is a very important temperature measuring element， with a wide range of measurement， and the application principle is relatively simple， easy to install.  It has been widely used in power industry and other industrial fields. However， there are still many problems in the practical application stage. The temperature measuring principle of industrial thermocouple will be briefly introduced below at the same time， combined with the engineering practice， clarify the common industrial thermocouple fault problems and treatment measures， so as to give full play to the actual effect of industrial thermocouple.

Key Words： Industrial thermocouple; Principle of temperature measurement; Failure analysis; Structural style

热电偶温度计的主要原理为热电效应，可以依据热电效应进行温度测量，其主要构成结构为热电偶、显示仪表及用于仪器连接的导线，如果测温系统发生了故障问题，则可以借助显示仪表的示值变化情况予以展现。若热电偶所输出的电势发生异常或无电势输出，则可能导致显示仪表中的示值温度不稳定，或表现出数值偏高偏低的问题。为此，要求化工仪表维修检验人员结合显示仪表中的实际示数确定相应的故障问题，分析故障原因，据此明确热电偶及补偿导线中所存在的故障问题，并实施充分检查，以修复设备。

1热电偶测温原理

作为一种十分常用的温度检测元件，热电偶具有如下优势：第一，其测量精度相对较高，可以与被测对象进行直接接触;第二，免受中间介质的影响;第三，其测量范围相对较广，通常可以在-50 ℃～+1600 ℃的温度区间内实现连续测量，甚至有部分具有特殊性能的热电偶的最低测量问题可以达到-269 ℃，最高则可以达到+2 800 ℃;第四，可以实现远距离信号传输的目标，实现对于所测区域内温度的集中检测，并进行自动化控制，与DCS系统进行充分配合;第五，可以針对局部区域内的温度状态实施检测，其检测精度可以精确到“点”;第六，可以实现快速的动态响应，热电偶的结构稳定性较高，不会在测温过程中出现过为突出的热惯性，可以实现对于整体测量过程的动态化响应;第七，元件构造简单，便于使用。热电偶的主要构成结构为两种不同的金属丝，其构造形式十分简单，且无需受到大小及开头的限制，在其外部含有保护套管装置，使用相对便捷。

1.1热电偶测温基本原理

热电偶测温的基本原理为结合热电效应原理，可以针对两种不同类型的金属导体进行连接，使其得以形成统一的回路。若所连接的亮点温度不同，则可能在相应的测量回路中产生一定的电动势能，进而形成电流，也即发生了热效应。借助这一关系，可以精准测量出装置中的热电势值，以达到良好的生产线温度管控效果。通常而言，产生热电偶的热电势需要满足如下条件：首先，要求尽量确保测量介质的性能，使其得以充分满足热电偶的热电特性要求，同时，具备良好的导电性能;其次，要求针对热电偶参比端及测量端的温差进行充分管控，以维持一定的温度差。

1.2热电偶种类及结构形成

1.2.1热电偶种类

可以将常见的热电偶分成标准及非标准热电偶两种类型，标准热电偶是基于国家标准所制定的，可以充分规定热电势与温度的实际关系，达到良好的误差控制效果，同时，具备统一的标准分度表的热电偶装置，可以结合与其相配套的显示仪表进行综合使用。至于非标准化热电偶，其数量级和使用范围均存在一定限制，且难以达到标准化热电偶的标准，不具备统一化的分度表，主要在特殊场合测量中得以应用。

1.2.2热电偶的结构形式

为充分确保热电偶工作的稳定性，要求针对其结构进行如下设计：首先，要求尽量确保热电偶不同热电极焊接的牢固性;其次，为切实规避热电偶短路问题，要求确保两热电极的良好绝缘性能;第三，要求充分保障热电偶自由端及补偿导线连接的紧密性和可靠性;最后，针对热电极及各类有害介质实施充分隔离，以达到良好的套管保护效果[1]。

1.3热电偶冷端的温度补偿

工业热电偶中所使用的材料普遍为贵重材料，若使用了贵金属材料，则其成本会更高，然而，由于测温点与仪表装置的距离通常相对较远，为达到良好的热电偶材料节约效果，以相应削弱施工成本，要求充分利用补偿导线装置，以实现对于热电偶冷端的充分延伸，将导线延伸到具有稳定温度环境的室内，并连接到仪表端子中。然而，使用热电偶补偿导线时，其作用往往只能起到延伸热电极的效果，要求将其冷端向控制室中的仪表端子上移动。而热电偶自身难以达到良好的冷端温度变化控制效果，且难以充分补偿温度变化情况。热电偶补偿导线往往只能延伸到热电极中，并据此实现良好的热电偶冷端移动控制效果，将其移动到控制室的仪表端子位置上，普遍难以充分消除冷端温度变化的影响，且无法发挥补偿作用。为此，要求适当采取其他修正方法，以达到良好的冷端温度补偿效果，削弱其对于测温的影响。

利用热电偶的补偿导线，可以在一定的温度范围内发挥良好的热电性能优势，可以实现对于热电偶电极及金属材料的有效控制，且所使用的金属材料价格相对低廉，可以将其作为连接热电偶及二次仪表装置的导线。

2热电偶典型故障问题及处理方法

2.1热电偶或补偿导线短路

2.1.1热电偶两极短路

如果热电极中两个电极的绝缘部件出现了损坏，便可能导致电极短路，当短路问题过于严重时，便会直接在显示仪表中显示，让相关人员可以确定短路位置的实际温度状态。而此时的热电偶热力势会显著低于其实际值，导致其中的指示值相对较低，其数值一般为室温。

2.1.2热电偶补偿导线短路

针对热电偶装置与补偿导线进行连接，如果操作人员未能充分关注连接问题，或未能充分保障热电偶接头位置的整洁度，接线盒保护盖受损导致导线装置受潮、接头处掉进金属杂质，都可能造成热电偶导线短路问题。一旦发生短路问题，则可能导致热电偶被短接，此时所测得的问题多为环境温度或接线盒位置处的温度，其数值明显低于被测介质，且其热力势及显示仪表示值温度均显著低于实际值[2]。

应对方法：针对热电偶两极的短路故障原因进行分析，若由于热电偶绝缘子损坏而导致短路问题，则要求立即更换绝缘子部件;若由于灰尘、杂质在热电偶接线盒及接线柱位置處大量积聚而引发热电偶短路问题，则需要立即清扫灰尘、清洁接线柱;若因为接线盒保护盖未能盖紧而导致水汽大量涌入，造成热电偶装置短路，则要求实施干燥处理;若因为补偿导线短路所引起，则要求立即找出其中的短路故障位置，并对该故障位置实施绝缘处理，同时，更换补偿导线装置[3]。

2.2接触不良

一般而言，补偿导线及热电偶装置中导线都有着相对较硬的质地，且难以实现紧固连接，可能导致补偿导线和热电偶接头处的接头接触不良，难以达到良好的仪表接头连接效果。保持热电偶的热电势不变，如果因为装置接触不良而导致接触电阻值增加，则可能造成仪表示值温度显著减低，远远低于测量区域内的实际温度，同时也可能直接影响输出结果的稳定性。

应对方法：拧紧接线柱螺丝，同时，从保护套管中取出热电偶的热电极，以明确其中的故障点并进行消除。若需要在长距离内进行补偿导线敷设，但是补偿导线的长度难以保障，需要进行接线处理，则要求操作人员针对2根补偿导线进行充分连接，以保障其接头处的连接问题。同时，要求在绝缘包扎后正式投入使用，然而，若使用一段时间后出现了测量值与实际值偏差较多的情形，造成了较大的测量误差，则可以通过如下方式进行处理：为充分延长补偿导线的长度，要求针对相同规格的补偿导线及原补偿导线进行充分连接，分别连接导线的正极和负极，使其得以紧密焊接，并在此基础上实施绝缘处理，以实现对于接点处接触电阻的充分管控，并在规定时间内进行使用[4]。

2.3断路故障

在热电偶装置的热电极上含有绝缘管设施，可以达到良好的热电极短路预防效果，绝缘管的主要材料为耐火陶瓷、Al2O3管及MgO管。造成装置短路问题的主要原因在于热电偶热电极自身结构断线，同时如果保护套管破裂，也可能导致热电极发生氧化劣化，若热电极未能完全断裂，且未能保持稳定的热电势输出状态，都可能相应影响显示仪表示值的稳定性。一旦装置彻底断开，且显示仪表中无指示，则可以通过如下方式进行处理。

首先，要求断开补偿导线及热电偶的连接，拆开其连接点位置，利用万用表欧姆档进行测量，以确定热电偶的冷端电阻，明确其断线状态。若阻值数值的显示为无穷大，则表明热电偶的热电极出现了断线问题，需要发现热电偶的断线位置，剪断电极端头，并实施重新焊接。其次，要求在实施焊接作业时充分关注测量端焊接质量，通过牢固的焊接，让焊接金属表面得以保持金属光泽，以提升其表面结构的光滑度，避免出现过多的夹渣及裂纹。最后，若难以充分保障保护套管及内部绝缘管膨胀系数的一致性，则要求更换保护套管及绝缘管装置，使用与其材料相同的绝缘管装置，以保持保护套管及绝缘管内热膨胀系数的一致性[5]。

2.4测量线路绝缘损坏

实施热电偶安装，则可能由于热电偶接线盒故障而导致导线点绝缘层发生破损或漏电问题，常见的故障问题主要表现为显示器仪表温度较低或温度输出状态不稳定。

应对方法：使用兆欧表进行测量，以确定补偿导线与仪表外壳的绝缘电阻值，要求将常温环境中的绝缘电阻值控制在5MΩ以内。明确电路中是否已经实现了接地，同时，发现绝缘层中的破损点，并实施绝缘处理。

2.5补偿导线用错或极性接反

若出现此类问题，可能导致显示仪上的数值与所测实际温度存在出入，为此，要求充分确保补偿导线选型与热电偶型号的一致性，具体可以通过如下方式进行处理：

首先，拆开补偿导线，并与热电偶的接点位置重新连接，让热电偶得以与补偿导线的正极、负极进行连接，其次，及时更换补偿导线及热电偶装置;最后，结合具体的仪表类型，确定补偿导线的实际线径，以促进测量准确性提升[6]。

3结语

热电偶装置是一种十分典型的自发电类传感器，该设备已经在温度测量领域中实现了广泛运用，然而仍然存在诸多限制，若无法充分关注设备安装调试环节的细节，则可能严重影响整体系统运行的稳定性，无法得到精准的温度测量结果。为此，要求提高对于仪表维修工作的关注，需要相关工作人员不断提升自身的专业技能水平，可以结合所需知识进行故障判定，积极采用合理的方法，以排除故障问题，降低测量误差，让热电偶装置的使用寿命得以切实延长。

参考文献

[1]  史惠霞.热电偶典型故障判断与成因分析[J].中国新技术新产品，2021（18）：83-85.

[2]  张礼维，张雯.浅谈工业热电偶测温原理及故障分析[J].山东工业技术，2017（12）：41.

[3]  贾超，蔡杰，熊朝晖.不同传热方式下温度传感器动态特性研究[J].计量学报，2020，41（5）：563-566.

[4]  王磊，赖恒俊，张强强，等.柔性热电偶线在航空热加工中的应用[J].工业计量，2021，31（6）：33-35.

[5]  姜帅，杨威，胡俊宏，等.热电偶时间常数测量分拣系统研究[J].工业仪表与自动化装置，2021（3）：30-34.

[6]  常广晖，张亚超，苏攀.基于工业以太网的热电偶测温模块设计[J].测控技术，2021，40（10）：43-49，54.