热电偶典型故障判断与成因分析

史惠霞

（宁夏工业职业学院，宁夏 银川 750021）

热电偶温度计是以热电效应为基础来进行温度测量的。它是由热电偶、显示仪表以及连接热电偶和测量仪表的导线组成的测温系统。因此，测温系统出现的故障可以通过显示仪表的示值变化反映出来。如果热电偶输出电势不正常或无电势输出，那么显示仪表的示值温度会出现偏低或偏高、示值不稳定或无指示的情况。化工仪表维修人员可以根据显示仪表反映出来的故障现象，分析故障原因，判断热电偶及补偿导线的故障位置，对其进行检查和修复。

1 热电偶典型故障现象及处理方法

1.1 热电偶或补偿导线短路

1.1.1 热电偶两极之间短路

热电极2个电极间绝缘损坏发生短路，短路严重时，显示仪表会指示短路部位的温度。此时热电偶热电势比实际值小，显示仪表指示值偏低，通常显示为室温[1]。

1.1.2 热电偶补偿导线短路

由于热电偶与补偿导线连接时，操作者不注意或热电偶接头部分不干净、接线盒保护盖未盖好受潮、在接头处掉进金属杂质所造成短路。此时热电偶被短接，测量温度为接线盒处温度或环境温度，比被测介质温度低。因此热电势比实际值小，显示仪表示值温度低于实际温度。

处理方法：热电偶两极之间短路，如果是接线盒保护盖未盖好进入水汽造成短路，则应进行干燥处理；如热电偶绝缘子损坏造成短路，则应更换绝缘子；如果是热电偶的接线盒接线柱处积有灰尘、杂质造成短路，则应清扫灰尘，清洁接线柱，排除短路原因；如果是补偿导线短路，可以找出短路点，进行绝缘处理或更换补偿导线。

1.2 接触不良

因补偿导线和热电偶的导线都比较硬，不容易紧固连接，造成补偿导线与热电偶接头或补偿导线连接到仪表的接头接触不良。热电偶热电势不变，但接触不良造成接触电阻增加，显示仪表示值温度会低于实际温度或者输出不稳定。

处理方法：将接线柱螺丝拧紧或将热电偶的热电极从保护套管中取出，找出故障点并予以消除。

如果需要长距离敷设补偿导线，而补偿导线长度不够，需要接线时，操作者将2根补偿导线接头处连接，然后包扎绝缘后投入使用，但是使用一段时间之后发现测量值偏离实际值，测量误差很大。这种状况正确的处理方法：要延长补偿导线的长度，应将相同型号的补偿导线与原补偿导线正极与正极相接、负极与负极相连接，绞紧焊接，做绝缘处理，保证接点处接触电阻在规 定范围内方可投入使用。

1.3 断路故障

热电偶的热电极上套有绝缘管，用于防止热电极短路。绝缘管的材料通常为耐火陶瓷、MgO或Al2O3管。断路主要是热电偶热电极本身出现了断线；其他原因有保护套管破裂，使热电极被氧化劣化而断线；绝缘管移位、错位，对热电偶热电极施加扭曲力而断线。

如果热电极将断未断，热电势输出不稳定，显示仪表的示值不稳定；当彻底断开时显示仪表无指示时，处理方法如下。

拆开补偿导线与热电偶的连接点，在常温下用万用表欧姆档测量热电偶的2个冷端电阻，判断是否断线。如果阻值显示为无穷大，说明热电偶热电极断线，找到热电偶断线处，剪去电极端头重新焊接。焊接时要求测量端焊接牢固，有金属光泽、表面光滑，无玷污变质、夹渣和裂纹。如果保护套管与内部绝缘管膨胀系数不一致，应将保护套管内的绝缘管换成与保护套管相同材料的绝缘管，或者将保护套管换成与绝缘管相同材料的保护套管，使二者热膨胀系数一致。比如Al2O3保护套管用Al2O3材料的绝缘管。

1.4 测量线路绝缘损坏

在热电偶安装使用过程中，会出现热电偶接线盒处和其他地方补偿导线绝缘层破损、漏电、接地现象。故障现象表现为显示仪表显示值温度一般低于实际温度或输出不稳定。

处理方法：用兆欧表测量补偿导线与仪表外壳或补偿导线与补偿导线之间的绝缘电阻是否减小，常温下，绝缘电阻应不小于5MΩ。判断是否有接地现象，找到绝缘层破损点，重新进行绝缘处理。

1.5 热电偶与补偿导线型号不匹配

此时热电势值高于或低于实际值，显示仪表示值温度高于或低于实际温度。处理方法：更换与热电偶相配套，补偿导线。

1.6 补偿导线用错或极性接反

此时热电势值高于或低于实际值，显示仪表示值温度高于或低于实际温度。

处理方法：拆开补偿导线与热电偶接点重新接线，使热电偶的正极、负极与补偿导线正极、负极对应相接或更换热电偶及补偿导线。

以上热电偶测温系统出现的典型故障现象，作为检修操作人员不仅要会判断故障点的位置，会处理解决问题，还要会对故障出现的原因进行分析。

2 典型故障原因分析

2.1 热电偶的冷端温度补偿

在热电偶、显示仪表以及连接热电偶和测量仪表的导线组成的测温系统中，由热电偶测温原理可知，热电偶回路总热电势是热电偶工作端和冷端接点热电势的代数和，其中eAB（t）为被测介质的温度为t时工作端的热电势，eAB（t0）为冷端温度为t0时的热电势。当冷端温度t0不变时，热电势为被测介质温度的单值函数关系[2]。

各种热电偶的分度表均是在冷端即温度t0为0℃的条件下，温度每升高1℃，测量出热电偶的热电势，从而得到的热电势与被测介质温度之间一一对应的函数关系。用热电偶测量被测介质温度时，如果要直接查阅热电偶的分度表，就必须满足冷端温度为0℃。

但在实际测温时，热电偶长度通常很短，只需要满足插入深度即可。热电偶的冷端即接线盒处的连接点，在工作现场靠近设备或管道，因此冷端温度受环境温度和设备与管道中物料温度的影响较大。这样t0不但不是0℃而且也不恒定，因此产生附加电势，产生误差。一般情况下，冷端温度均高于0℃，热电偶回路总热电势由于冷端热电势的增加而减小。

因此在应用热电偶测温时，要采取措施消除冷端温度不恒定或不为0℃时所产生附加电势的影响，即要对热电偶进行冷端温度补偿。常用补偿方法有补偿导线法、校正仪表零点法、补偿电桥法和补偿热电偶法[3]。

补偿导线是由2种自由电子密度比不同的廉价金属材料制成的，在0℃～100℃与所配接的热电偶具有相同的温度 -热电势关系。由于补偿导线与热电偶具有相同的温度-热电势关系，补偿导线连接热电偶与显示仪表时，将产生热电势E补（t1，t0）。在0℃～100℃时，E补（t1，t0）等于热电偶工作端、冷端在相同接点温度下产生的热电势E（t1，t0），根据热电偶中间温度定律，热电偶测温回路总的热电势计算如下[3]。

如图1所示：t为工作端即被测介质温度，t1为热电偶冷端（接线盒处）温度，t0为温度恒定的控制室内补偿导线与显示仪表的接线端温度。

图1 热电偶测温回路

由此可见补偿导线的作用，热电偶的热电势与热端即被测介质温度t和控制室内补偿导线与显示仪表的接线端温度t0有关，与热电偶冷端（接线盒处）温度t1无关，即补偿导线将热电偶的冷端延伸至了温度为t0的控制室内补偿导线与显示仪表的接线端。

使用补偿导线时，要注意补偿导线与热电偶型号要匹配；还要注意补偿导线的正、负极必须与热电偶的正、负极对应相接，极性不能接反。而且要注意热电偶补偿导线使用环境温度不能超过100℃，否则会出现测量误差[3]。

根据热电偶典型故障现象与处理方法可见，补偿导线与热电偶不配套或者极性接反、接触不良、断线会造成热电偶的热电势低于或高于实际值，使显示仪表的示值温度偏高或偏低甚至无指示，这是为什么呢？笔者通过热电偶的基本定律之一（中间温度定律）或者信号源与负载之间的关系来进行分析。

2.2 中间温度定律

热电偶工作端与冷端接点温度为t、t0的热电偶产生的热电动势，等于该热电偶在接点温度分别为t、t1和t1、t0时产生的热电势的代数和[3]。

E（t，t0）=E（t，t1）+E（t1，t0）

E（t，t0）为热电偶工作端温度为t，冷端温度为t0时回路总热电势；E（t，t1）为热电偶工作端温度为t，冷端温度为t1时回路总热电势；E（t1，t0）为热电偶工作端温度为t1，冷端温度为t0时回路总热电势。

3 显示仪表示值温度升高或降低的故障案例原因分析

如图2所示：分度号为K型（镍铬-镍硅）热电偶误配JX型（J型热电偶配套）的补偿导线，极性连接正确仪表示值如何变化?

图2 K型热电偶误配JX型补偿导线测温回路

分 析：设工作端温度为t，冷端温度t1=40℃，补偿导线与显示仪表的接线端温度t0=20℃。

如果热电偶与补偿导线极性连接正确，根据中间温度定律，回路总电势如下。

E（t，20）=EK（t，40）+EK（40，20）

现在误用JX补偿导线，与之相互配的J型热电偶的热电势为EJ（40，20），回路总电势如下。

E′（t，20）=EK（t，40）+EJ（40，20）

则回路总电势误差计算如下。

ΔE=E′（t，20）-E（t，20）=EK（t，40）+EJ（40，20）-EK（t，40）-EK（40，20）=EJ（40，20）-EK（40，20）

根据中间温度定理可知：EJ（40，0）=EJ（40，20）+EJ（20，0）

即EJ（40，20）=EK（40，0）EK（20，0）

同理：EK（40，20）=EK（40，0）EK（20，0）

因此：ΔE=EJ（40，20）-EK（40，20）=（EJ（40，0）EJ（20，0））-（EK（40，0）EK（20，0））

注：EK（t，40）为K型热电偶工作端温度为t，冷端温度为40℃时热电势。EJ（40，20）为J型热电偶工作端温度为40℃，冷端温度为20℃时热电势；EK（40，20）为K型热电偶工作端温度为40℃，冷端温度为20℃时热电势；EJ（40，0）为J型热电偶工作端温度为40℃，冷端温度为0℃时热电势；EJ（20，0）为J型热电偶工作端温度为20℃，冷端温度为0℃时热电势；EK（40，0）为K型热电偶工作端温度为40℃，冷端温度为0℃时热电势；EK（20，0）为K型热电偶工作端温度为20℃，冷端温度为0℃时热电势。

查E型和K型热电偶的分度表：

结论：热电势低的热电偶用了热电势高的热电偶的补偿导线，回路总电势偏大，仪表示值温度将高于实际温度。

同理：若分度号为J型（铁-康铜）热电偶误配KX型（与K型热电偶配套）的补偿导线，极性连接正确仪表示值如何变化?

结论：热电势高的热电偶用了热电势低的热电偶的补偿导线，回路总电势偏小，仪表示值温度将低于实际温度。

如图3所示。分度号为J型（铁-康铜）热电偶配用JX型的补偿导线（与J型热电偶配套），但极性接反，回路电势如何变化?

图3 分度号为J型配用JX型的补偿导线极性接反

若极性连接正确，回路总电势如下。

注：EJ（t，t1）为J型热电偶工作端温度为t，冷端温度为t1时的热电势。

EJX（t1，t0）为JX型补偿导线工作端温度为t1，冷端温度为t0时的热电势。

EJ（t1，t0）为J型热电偶工作端温度为t1，冷端温度为t0时的热电势。

EJX（t1，t0）=EJ（t1，t0）

若补偿导线极性接反，回路总电势的计算如下。

E′（t，t0）=EJ（t，t1）-EJ（t1，t0）

回路电势误差计算如下。

若t1＞t0，则ΔE＜0，仪表显示温度低于实际测量温度。

若t1＜t0，则ΔE＞0，仪表显示温度高于实际测量温度

若t1=t0，则ΔE=0，仪表显示温度与实际温度相同。

结论：补偿导线与热电偶极性接反是造成热电偶的热电势升高或者减小、显示仪表示值温度高于或低于实际温度的主要原因。

补偿导线与热电偶冷端接头或补偿导线接到仪表的端头接触不良，显示仪表指示值低于实际温度。

分析：热电偶通过补偿导线、连接导线与显示仪表相连，热电偶及补偿导线是显示仪表的信号源，补偿导线与热电偶冷端接头或补偿导线接到仪表的端头接触不好，造成接触电阻增大，即信号源内阻增大。被测介质温度t和补偿导线与显示仪表的接点温度t0不变，则热电偶的热电势不变，但信号源内阻增大时，内阻上电压增加，输出到显示仪表上的信号减小了，温度指示会偏低。

热电偶热电极断线或补偿导线断线，显示仪表指示值无指示。

分析：热电偶及补偿导线是显示仪表的信号源，热电偶热电极断线或补偿导线断线，相当于信号源内阻为无穷大，热电偶热电势全部加在内阻上，输出到显示仪表的热电势为零，输出到显示仪表上的信号为零，显示仪表无指示。

4 结论

在温度测量过程中为提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求化工仪表维修工，不仅应具备仪表操作技能，还应具有利用所学知识来判断故障位置，分析故障产生原因的能力，才能选择合理的方法来排除故障。