熱電偶的工作原理及結(jié)構(gòu)詳解

熱電偶，這一測溫元件，由兩種不同成分的導(dǎo)體焊接而成。其直接與被測物體接觸的部分，即測量端，也被稱為熱端；而接線端子端，則被稱為參比端或冷端。當(dāng)測量端與參比端之間存在溫差時，熱電偶回路中便會產(chǎn)生熱電勢，這一現(xiàn)象即熱電效應(yīng)。正是基于這一原理，熱電偶得以廣泛應(yīng)用于溫度測量。

裝配式熱電偶的結(jié)構(gòu)則包括接線盒、接線端子、保護(hù)套管、絕緣瓷管以及熱電極等部分，部分產(chǎn)品還配備了多種安裝固定裝置，以適應(yīng)不同的生產(chǎn)現(xiàn)場安裝需求。

2 熱電偶的原理及結(jié)構(gòu)

熱電偶，作為一種重要的測溫元件，其工作原理基于熱電效應(yīng)。它由兩種不同成分的導(dǎo)體焊接而成，其中直接與被測物體接觸的部分被稱為測量端或熱端，而另一端則稱為參比端或冷端。當(dāng)測量端與參比端之間存在溫差時，熱電偶回路中便會產(chǎn)生熱電勢，從而實現(xiàn)對溫度的測量。此外，熱電偶的結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜，通常包括接線盒、接線端子、保護(hù)套管、絕緣瓷管以及熱電極等多個部分。這些組件的巧妙組合，使得熱電偶能夠適應(yīng)不同的生產(chǎn)現(xiàn)場安裝需求，廣泛應(yīng)用于溫度測量領(lǐng)域。
鎧裝熱電偶，以其細(xì)長、易彎曲、熱響應(yīng)迅速、抗沖擊振動以及堅固耐用的特性，在溫度測量領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。它不僅適用于各種復(fù)雜的生產(chǎn)現(xiàn)場，還可作為裝配式熱電偶的內(nèi)芯元件進(jìn)行使用。其測量端結(jié)構(gòu)形式多樣，包括絕緣式、露端式和接殼式三種，使得它能夠靈活應(yīng)對不同的測量需求。
①在常規(guī)情況下，若無特別指明，鎧裝熱電偶多選用絕緣式設(shè)計，因其具備良好的抗干擾能力。
②需注意，絕緣式鎧裝熱電偶的熱響應(yīng)速度較接殼式稍慢。
③絕緣式鎧裝熱電偶適用于外徑范圍在0.5至8毫米之間的熱電偶。
①接殼式鎧裝熱電偶具有較快的熱響應(yīng)速度。
②然而，接殼式鎧裝熱電偶在存在電磁干擾的環(huán)境中可能表現(xiàn)不佳。
③其使用受到一定限制，要求熱電偶的外徑與保護(hù)管內(nèi)徑之比滿足0.8D＞H＞0.1D的條件。

3（3）熱電偶的冷端溫度補償

熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢，其大小并非僅與測量端溫度相關(guān)，參比端（即冷端）的溫度同樣對其產(chǎn)生影響。在參比端溫度保持恒定的情況下，熱電動勢與測量端溫度之間呈現(xiàn)一一對應(yīng)的關(guān)系。然而，在實際應(yīng)用中，參比端的溫度往往因環(huán)境而異，難以恒定在0℃。這種冷端溫度的變化會導(dǎo)致測量結(jié)果產(chǎn)生偏差。因此，為了確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，有必要對熱電偶的冷端進(jìn)行溫度補償。

4 熱電偶故障檢查判斷及處理

(1) 溫度顯示最小
當(dāng)溫度顯示達(dá)到最小值時，這可能是由于熱電偶的極性接反，導(dǎo)致反極性的熱電勢輸入給儀表。在YR-GFC系列數(shù)字顯示儀表中，如果熱電偶極性接反，上排PV大窗口會顯示一個帶“-OL-"符號的提示。此時，可以通過短路儀表輸入端子來檢查顯示儀表是否正常，如果能顯示室溫，則說明顯示儀表正常。接著，可以嘗試對換輸入信號線的極性，觀察顯示是否能夠恢復(fù)正常。如果仍然不正常，可以進(jìn)一步檢查顯示儀表是否能夠正常接收熱電勢信號。

對于熱電偶正負(fù)極標(biāo)志不清的情況，可以根據(jù)熱電偶的類型進(jìn)行判斷。例如，對于S型和R型熱電偶，可以輕輕折下電極，較軟的那根往往是負(fù)極。對于K型和N型熱電偶，則可以利用磁鐵吸電極的方法，親磁的那根是負(fù)極。而對于J型熱電偶，親磁的那根實際上是正極。

(2) 溫度顯示最大
當(dāng)數(shù)字顯示儀的顯示超過儀表量程上限，上排PV大窗口會顯示“-OH-"符號。這通常意味著溫度顯示達(dá)到了最大值?？赡艿脑虬ǎ簾犭娕紨嗦?、接線錯誤或儀表故障等。需要逐一排查這些可能的原因，以確定并解決問題。
①儀表配備了傳感器斷路檢測功能，一旦熱電偶或其接線出現(xiàn)斷路，儀表會顯示最大值并觸發(fā)報警。因此，需要仔細(xì)檢查熱電偶及其連接電路，以確定是否存在斷路故障。

首先嘗試短接XS的接線端，并觀察儀表是否能夠顯示室溫。如果不能顯示，那可能意味著XS端子至顯示儀表輸入端的接線存在斷路。如果能顯示室溫，則進(jìn)一步操作。拆下XS端子并連接至1號端的補償導(dǎo)線，然后使用萬用表測量該補償導(dǎo)線以及2號端的電阻。同時，也要測量熱電偶及其補償導(dǎo)線的電阻值。如果電阻值異常高或無窮大，那可能表示熱電偶或補償導(dǎo)線存在接觸不良或斷路的問題。此時，應(yīng)仔細(xì)檢查接線螺釘是否松動，特別是熱電偶接線盒內(nèi)的螺釘，因為高溫、潮濕等環(huán)境因素可能導(dǎo)致螺釘或補償導(dǎo)線腐蝕，進(jìn)而出現(xiàn)接觸電阻增大或不導(dǎo)電的情況。需要注意的是，熱電偶接線盒內(nèi)通常有四顆接線螺釘，其中兩顆用于固定補償導(dǎo)線與接線柱，而另外兩顆則用于固定熱電偶絲與接線柱。有時，由于某些螺釘不太明顯，可能會被忽視，導(dǎo)致無法找到故障點。
②熱電偶與顯示儀表的分度號不匹配時，儀表可能會顯示最大值。這種情況常出現(xiàn)在新安裝的系統(tǒng)或更換熱電偶或顯示儀表后。為了解決這個問題，我們需要分別檢查熱電偶及顯示儀表，并核實參數(shù)設(shè)置，包括分度號、量程上下限等，以確保它們設(shè)置正確。

(3)溫度顯示偏高
當(dāng)顯示的溫度明顯高于實際測量值時，這可能是由于熱電勢值偏高所致。在排除工藝因素后，我們應(yīng)檢查顯示儀表和熱電偶。對于新安裝或更換的儀表，重點要核實顯示儀表與熱電偶的分度號是否搭配正確。

(4)溫度顯示偏低
若顯示的溫度明顯低于實際測量值，即熱電勢值偏低，同樣需要排除工藝因素的影響。此時，我們?nèi)孕铏z查顯示儀表和熱電偶，并注意熱電偶與補償導(dǎo)線的極性是否接反。例如顯示溫度始終在室溫附近不變，這可能是由于補償導(dǎo)線短路或熱電偶極性接反所致。在檢查時，我們可以拆除一根補償導(dǎo)線并測量電阻值，以判斷是否存在短路故障。同時，我們還需要使用標(biāo)準(zhǔn)表如過程校驗儀來輸入熱電勢給顯示儀，以進(jìn)一步判斷顯示儀表是否存在故障。

(5)溫度顯示波動

溫度顯示波動是指儀表顯示值出現(xiàn)不穩(wěn)定，時高時低，甚至亂跳字等現(xiàn)象。這種波動通常是由輸入給顯示儀表的熱電勢不穩(wěn)定所導(dǎo)致的。為了判斷波動來源，我們可以嘗試短路顯示儀表的信號輸入端。如果此時能穩(wěn)定顯示室溫，則說明顯示儀本身正常，問題在于其之前的電路。接下來，使用標(biāo)準(zhǔn)表測量熱電勢，觀察其是否波動。若無波動，則可能是受到了某種干擾；若熱電勢有波動，則可能是接觸不良，可以通過電阻法進(jìn)行檢查。

如果波動非常明顯且幅度很大，那可能是熱電偶的保護(hù)套管已經(jīng)泄漏。此時，應(yīng)將熱電偶從套管中抽出進(jìn)行檢查。若發(fā)現(xiàn)熱電偶的瓷珠發(fā)黑或潮濕、帶水，即可確認(rèn)保護(hù)套管已泄漏。在處理此類問題時，務(wù)必注意安全，并采取必要的安全措施，由專人配合進(jìn)行檢查。

此外，熱電偶接線盒的密封不良也可能導(dǎo)致問題。若保護(hù)套管內(nèi)進(jìn)入水汽，會降低其絕緣性，從而引發(fā)不規(guī)則的接地或短路現(xiàn)象，導(dǎo)致熱電勢不規(guī)則分流，使顯示儀表上的值無規(guī)律地波動。同時，熱電偶安裝環(huán)境的氣氛也可能影響其使用，長時間使用后可能出現(xiàn)熱電極老化變質(zhì)或熱端焊點出現(xiàn)裂紋等問題，也會引發(fā)波動故障。

針對熱電偶輸出熱電勢不穩(wěn)定的問題，可以按照以下步驟進(jìn)行檢查和處理：

在電加熱電爐的測溫系統(tǒng)中，當(dāng)溫度升高時，耐火磚和熱電偶保護(hù)套管的絕緣性能會下降，導(dǎo)致加熱用的交流電可能泄漏到熱電偶中，從而引發(fā)干擾。此外，交流用電設(shè)備的電磁場感應(yīng)以及變頻器產(chǎn)生的諧波干擾等，都可能竄入熱電偶的測量回路，造成干擾。為了檢測是否存在干擾，我們可以使用電子交流毫伏表或數(shù)字萬用表的交流電壓擋，測量XS接線端子1、2端間的串模干擾電壓，以及1、2端對地的共模干擾電壓。一旦發(fā)現(xiàn)干擾，應(yīng)立即采取措施進(jìn)行克服。
在電加熱電爐的測溫系統(tǒng)中，由于多種原因可能導(dǎo)致干擾問題。當(dāng)溫度升高時，耐火磚和熱電偶保護(hù)套管的絕緣性能會受到影響，這可能導(dǎo)致加熱用的交流電部分泄漏到熱電偶中，進(jìn)而引發(fā)測量干擾。同時，交流用電設(shè)備產(chǎn)生的電磁場感應(yīng)以及變頻器產(chǎn)生的諧波干擾等，也可能通過某種途徑竄入熱電偶的測量回路，造成測量誤差。為了及時發(fā)現(xiàn)并處理這些干擾問題，我們可以采用電子交流毫伏表或數(shù)字萬用表的交流電壓擋，對XS接線端子1、2端間的串模干擾電壓以及1、2端對地的共模干擾電壓進(jìn)行測量。一旦檢測到干擾電壓超出正常范圍，就應(yīng)立即采取相應(yīng)的措施來消除這些干擾，以確保測溫系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。