热电偶自动检测系统典型故障分析与原因研究

梁俣

（广西壮族自治区计量检测研究院， 广西南宁， 530007）

摘要：随着工业化进程的加快，热电偶自动检测系统得到了广泛普及使用，简化了热电偶的测温过程，但是在实际应用过程中，热电偶自动检测系统中还是会存在一些问题。通过分析热电偶自动检测系统经常遇到的几个问题，并以此为基础，阐述了热电偶自动检测系统出现故障的主要原因，期望能够为技术人员在热电偶的使用与计量相关工作提供一些经验。

关键词：温度计量；热电偶；自动检测系统

温度作为能够表征物体冷热程度的物理量，在会对生产生活的方方面面产生重要的影响。在工业生产的过程中，常常需要对物体的温度进行测量与控制，使产品的生产环境能够维持在工艺所需的温度。热电偶作为常用的温度计量器具，是温度计量的重要组成部分，热电偶在使用过程中也会出现一些常见问题，由此需要对产生这些问题的原因进行充分研究，以保障热电偶得以被正常使用。^[1-3]

1、热电偶自动检测系统的常见问题

1.1热电偶测量时需要注意的问题

在工业生产活动中，热电偶是一种能够利用闭合回路中，由热电效应（塞贝克效应）产生的热电势来测量温度的元件。热电偶可以将环境或物体的热能转化为电能，但这种热电势是热电偶工作两端温度函数的差，而并不是工作两端温度差的函数。其次，不同材料的热电偶在相同两段温度所产生的热电势是不同的，并且仅与材料成分相关，并不受热电偶外部结构的影响。另外，热电偶中热电势的强弱与热电偶两端的温度差线性相关，在热电偶冷端温度保持不变的情况下，热电能就以单值函数的形式代表着工作端的温度，在《GB/T 16839.1-2018热电偶 第1部分:电动势规范和允差》中对几种类型的热电偶电极材料成分与温度-热电势函数有详细规定^[4]。在工业生产中测量温度的时候，要将以上考虑到以上几个方面的因素，以便提升对于测量过程中常见问题的认识。

1.2自动检测系统中常见的问题

热电偶自动检测系统可实现对于热电偶的自动校准/检定，以确认热电偶的温度计量特效是否能够满足使用要求。在这一过程中需要先将待检测的热电偶与标准热电偶放入加热炉中，继而运用感应装置对加热炉升温过程中，已经到达校准温度的热电偶输出的热电势进行测量，最终系统在进行温度补偿后，就可以得知热电偶的真实数据值并根据温度值计算出温度测量误差^[5]。在一系列的升温恒温过程中，自动检测系统复杂的构造内便会出现各种问题，这些都会影响到最终温度值的准确判断。首先，校准过程中可能出现被校准/检定热电偶温度示值与标准温度示值偏差较大的情况，此外，在温度已经检测完成的阶段，有可能出现热电偶的热电动势发生忽大忽小的变化；其次，启动热电偶自动检测系统后，可能出现软件的参考端数值显示为零或是提示出现异常的情况，这样直到系统已经启动之后，检测的温度也会一直位于温度的负偏差状态；然后，在校准/检定热电偶时，出现加热炉的温度难以上升，或者是在校准/检定期间发生数表跳字，恒温段功率曲线出现毫无规律可言的异常变动情况。以上这些都是运用热电偶自动检测系统进行校准/检定过程中经常会出现的问题，如果不在问题发生的阶段尽快采取有效的措施，便会导致最终校准/检定的温度结果出现偏差，甚至可能导致仪器设备或热电偶损坏的情况。

2、常见问题原因分析

2.1热电偶示值误差大的原因

通常在温度计量的过程中，会出现热电偶的热电动势数值偏大或偏小的情况，此时应当从热电偶的本身展开分析。在国家标准《GB/T 16839.1-2018热电偶 第1部分:电动势规范和允差》将热电偶分为多种分度号，常见的有K型、N型、S型等，不同分度号的热电偶具有不同的温度-热电势函数，也就是相同温度下，不同分度号热电偶输出的热电势是不同的，在校准/检定中必须在软件中选择正确的热电偶分度号，否则就会出现校准/检定结果出现错误的情况。

一些热电偶的电极有着细且软的特征，在使用中容易发生变形情况，再加上热电偶丝一旦发生变形或是扭曲的情况，势必会改变热电偶的热电特性，由此在测量温度的过程中便会出现误差。其次，热电偶丝使用过程中还容易遭受污染，被污染的热电偶丝通常会呈现发黑和变暗的特征，并逐步发生氧化的现象，在进行外观检查的时候就应当注意到这个问题，这种污染可以通过如硼酸清洗后退火等方式来缓解^[6]。

热电偶在进行校准/检定时，需要按照检定规程或校准规范进行一系列的操作，并且对于热电偶插入加热炉的位置与深度也有着详细的规定。而在实际的操作中，热电偶的位置常常会受到生产操作的影响，出现插入过深或略浅的情况，特别是在加热炉没有封堵好的前提下，热量的流失更会影响到温度检测结果的准确性。由此，在校准/检定的过程中要兼顾到热电偶内部与外部的各项变动情况，并及时检查热电偶是否出现被污染或是插入加热炉深度不合理的现象。

2.2参考端温度异常原因

热电偶在校准/检定时有两种参考端温度补偿方法，一种是根据测量的环境温度进行补偿，另一种则是将参考端放入冰瓶（或其他0℃环境）中进行补偿。因此首先要确定所选用的补偿方式是否正确，软件才能结合参考端的温度来自动衡量出最接近真实温度的数值。另一种情况则是自动检定系统的参考端测量热电阻出现故障，无法正确测量环境温度，需要进行检修。

2.校准/检定过程中数表跳表的原因

在热电偶自动检测时，加热率、温度可能会发生以跳表为主的各种问题。首先要检查软件中的 PID参数是否被更改，然后应当重点检查加热炉内是否出现故障：首先将加热炉内部的温度调节至1000℃左右，并保持温度半个小时时间，然后要观察炉内放置的热电偶参考端以及保护接地线之间的交流电压数值，检测数值是否超过了标准范围内的100V，以此来判断加热炉是否出现外壳接地的情况。如果加热炉出现外壳接地的情况，并且同时伴随有电压超过100V的现象产生，就要观察数值表中的数字还能否保持稳定，如果几个条件都不能满足，就基本可以判断加热炉已经发生漏电的情况，此时就应当尽快更换检测系统温度的加热炉设备。

其次，如果热电偶在检测时出现了数值跳动快并且难以稳定的情况，还需要注意周围是否应用了容易对热电偶产生干扰的高频设备或大型设备，并且积极调控过程中设备的使用情况，以便合理选取测温过程中需要用到的设备^[3]。另外，运行时间的延长也会导致运行功率的增加，在功率与电流增加的情况下，会引发系统接点的打火现象，从而对加热炉实际功率的测定产生影响，自然也会造成温度测量值出现不寻常的波动情况。技术人员应当注意生产运行过程中是否出现功率不正常波动的情况，以便及时判断加热炉是否出现线路接触不良的情况，从而快速检查加热炉内电路的全局运行情况，尽快调整好各线路的故障情况。

2.3温度始终无法稳定的原因

应用热电偶自动检测系统测量温度时，会出现系统温度始终难以稳定或是处于负偏差的情况，通常要先对系统中的硬件进行检查。检查硬件时首先要判断硬件的连接是否出现了问题，继而运用系统来检查计算机通讯以及通讯设备是否正常运行，再接着对加热炉进行统一检查。检查加热炉时，要先观察加热炉内的电源接线是否存在冒火花的现象，以便判断加热炉是否出现了故障，之后可以用测量仪器对加热炉内的电阻进行测量，通过观察电阻能否正常稳定在某一电阻值，以此来判断加热炉是否被烧断或短路，继而实现故障问题排查的整个流程。

3、结束语

综上所述，随着社会工业化进程的快速推进，未来势必会对生产速度及生产效率有更高的要求，也决定着自动化程度发展前景的广阔性。当前，要在设计与使用自动化系统上加大研究的力度，在生产生活中应用的时候，着重分析温度计量过程中与热电偶和自动检测系统相关的问题，进而对测温过程中各结构部件的使用性能展开分析，合理分辨热电偶的正确使用方式，以此保证在生产生活中的合理应用。

参考文献：

[1]李良. 温度计量中热电偶与自动检测系统中的相关问题探讨[J]. 魅力中国， 2016（20）.

[2]张宁. 温度计量中热电偶与自动检测系统有关的几个问题[J]. 中国新技术新产品， 2015（13）.

[3]武雪宝. 浅析温度计量中热电偶与自动检测系统的相关问题[J]. 中国科技投资， 2017（18）.

[4]国家市场监督管理总局. GB/T 16839.1-2018热电偶 第1部分:电动势规范和允差[S].

[5]国家质量监督检验检疫总局. JJF 1637-2017 廉金属热电偶校准规范[S].

[6]国家技术监督局. JJG 75-1995 标准铂铑10-铂热电偶[S].