熱電偶溫度跳躍問題的處理措施

摘要:熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件，能夠直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電器儀表轉換成被測介質的溫度，對熱電偶在測溫過程中出現的溫度跳躍問題產生的原因進行簡要分析，并提出相應的解決方案，為熱電偶在實際工程測量中的運用提供參考。
　　熱電偶在測溫過程中會受到多種因素的影響，例如:測量環境、氣溫、絕緣材料和保護管材料的污染等，會使測量結果產生偏差，而且在使用一段時間后，其熱電性能會發生改變，特別是在高溫腐蝕的情況下，變化尤為明顯，這些都會導致測溫過程出現問題，針對其中的溫度跳躍問題進行分析與處理。
一、熱電偶測溫原理
　　熱電偶是溫度傳感器所依據的原理，其來源于1928年賽貝克發現的熱點效應。將兩種不同材料的導體或半導體A和B任意-端焊接在一起就構成了熱電偶。在此過程中的導體或半導體A和B被稱為熱電極，插入測溫場所、被焊接的一端是工作端，另--端被稱為冷端，當二者出現溫差時就會產生熱電勢，這個物理現象就被稱為熱電效應或者賽貝克效應，而其中的熱電勢被稱為賽貝爾克電勢。閉合回路中產生的熱電勢由兩種電勢組成:溫差電勢和接觸電勢，溫差電勢是指:同一導體的兩端溫度不同時，高溫端的電子能量要比低溫端的電子能;量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數比從低溫端跑到高溫端的要多，結果高溫端因失去電子而帶正電，低溫端因獲得多余的電子而帶負電。因此，在導體兩端就形成了溫差電勢。而接觸電勢顧名思義就是指兩種不同的金屬互相接觸時，由于不同金屬內自有電子的密度，在兩金屬A和B的接觸點處會發生自由電子的擴散現象。自由電子將從密度大的金屬A擴散到密度小的金屬B,使A失去電子帶正電，B得到電子帶負電從而產生接觸電勢，接觸電勢的大小取決于導體或半導體A、B的性質以及它們接觸點的溫度。
二、熱電偶溫度跳躍問題產生的原因
　　在運用熱電偶進行測溫過程中，常常會出現一種情況:熱電偶熱電動勢極不穩定，一般都是在-500℃到500℃之間跳躍，然而真正的溫度應該是300℃左右，出現這種情況的原因可能有以下幾點;
1.熱電極被玷污和腐蝕
　　熱電極被玷污和腐蝕主要針對的是高溫環境，在熱電偶的使用過程中，由于受保護管雜質和環境氣氛等因素的影響，很容易被玷污和腐蝕，一-旦這種現象發生，就會導致熱電偶的熱電特性與原來的分度特性發生偏離，從而造成了溫度上的不穩定，產生了誤差。玷污、腐蝕的程度越大，熱電特性改變程度越大，誤差也就越大。反之，玷污、腐蝕程度越小，熱電特性改變程度越小，誤差也就越小。這就是造成熱電偶溫度跳躍問題的主要因素之一。
2.熱電偶接線盒內部有污染物
　　在電氣線路中，接線盒是電工輔助材料中的一種，接線盒主要起過渡的作用，因為裝修用的電線是穿過電線管的，當線路比較長或者電線管要轉角時，就需要在電線的接頭部位采用接線盒，從而起到保護電線和連接電線的作用。在熱點偶中使用接線盒主要是為了連接熱電偶和補償導線，雖然熱電偶接線盒的出線孔和蓋子都用墊圈加以密封，但是還是很難保證沒有污染物落入其中，例如:導電液體、潮濕粉塵、金屬液體等，從而使接線的可靠性難以得到保證，使得熱電偶測溫不準確，在測溫過程中出現了溫度跳躍問題。
3.測溫過程中受到干擾
　　測溫過程中受到的干擾主要來源于熱電偶內部和外部環境，在內部，如果是在高溫環境中，熱電偶絕緣材料和加熱爐的耐火磚的絕緣性能就會降低，從而使發熱體、爐磚、絕緣材料以及熱電偶保護管泄漏，造成加熱爐的電源與熱電極的直接接觸，產生了漏電干擾。在外部，主要受大功率電動機、變壓器、強電流導線的影響，使熱電偶測量回路附近產生較大的交變磁場、高壓電廠或較大的地電流，這些都造成了附加電動勢在測量回路中的產生，使得測溫過程中出現了溫度跳躍問題。
三、對熱電偶溫度跳躍問題的解決方案
1.正確選擇保護管材料和絕緣材料
　　在實際生活中使用熱電偶時，除了極特殊的情況，例如:快速測量的場所中所使用的裸露電熱偶，不需要保護管，其他情況都是需要加保護管的。而保護管對熱電偶穩定性影響極大，因此要依據使用條件,選擇不同的保護管材料。金、銀及鉑族金屬等8種元素稱貴金屬，由這些金屬或合金構成的熱電偶稱貴金屬熱電偶，除此之外統稱廉金屬熱電偶，如鎳基合金熱電偶及難熔熱電偶金屬等。貴金屬熱電偶抗金屬蒸汽的能力差，因此不適宜采用金屬或合金材料做保護管，而廉金屬熱電偶抗金屬蒸汽的能力較強，一般可直接采用金屬或合金做保護管。
　　除此之外，還要注重絕緣材料的選擇，因為這也是引起熱電極受污染的重要因素之一。絕緣材料具有耐高溫、耐腐蝕、用途廣、效用多、重量輕且堅固等特性，在目前的絕緣材料中，應用的最多的就是氧化鋁，但是氧化鋁對熱電極卻有著一定的影響，因為氧化鋁中所含有的二氧化硅(Si02)在高溫還原性氣氛中，能夠被還原成金屬Si,從而使鉑電極受到污染，使熱電極被熔斷。同時，氧化鋁中所含有的氧化亞鐵(Fe0)，在同等氣氛中，會被還原成金屬Fe,鐵受到了鉑的污染，導致了熱電特性漂移現象的產生。而且相關實驗證明，在氬氣與中真空中用貴金屬熱電偶測溫時，若使用高純氧化鋁作絕緣管，熱電極受污染程度與其自身粗細有直接的關系，熱電極越粗，受Fe污染的影響越小。所以，在對絕緣材料進行選擇時，要選用高純鐵處理的氧化鋁絕緣管，而且還要最大限度的使用粗一點的熱電極。
2.對熱電偶接線盒進行仔細檢查
　　由于工作人員的疏忽大意，使熱電偶與補償導線和測溫儀表之間出現人為故障，導致熱電偶檢測安裝后，在測量溫度時仍然會出現溫度跳躍的情況。所以，要對熱電偶接線盒進行仔細的檢查，檢查要點如下:
(1)接線盒中是否有污染物
(2)補償導線與熱電偶配置是否不當
(3)熱電偶與測溫儀分度號是否一致
(4)補償導線是否接錯
　　當發生以上四點問題時，一方面耍將熱電偶接線盒認真清洗并烘干，從而保證接線的可靠性,避見測溫過程中出現溫度跳躍問題;另方面,如果將熱電偶的兩個補償導線接反了，就會出現溫度跳負數的情況，此時儀表就無法正常工作，無法顯示真正的溫度，補償導線就相當于一支在0-100℃范圍內的熱電偶，它的電流如熱電偶般，山正極經參考端流向負極。因此，在對熱電偶進行連接時補償導線的正負極與熱電偶的正負極應該足相對應的，而不足相反的，如果相反了，不僅使補償的作用得不到發揮，還會使熱電偶中的一部分熱電勢被抵消，使儀表所顯示的溫度偏低。同時，補償導線與熱電偶之間的型號也是相對應的，也就足說熱電偶和所配會使用的補償導線在規定范圍內必須一致。
3.實行一些抗干擾措施
(1)將鐵管接到地上，并將熱電偶的引線穿在鐵管里面，若想實現更好的抗+擾效果，可以試著將熱電偶引線紋起來。
(2)將熱電偶的測量端接地，從熱電偶測量端引出一根金屬絲直接接地。這是因為高溫漏電發生頻率最高的地方就足熱電偶測量端附近，將測量端接地，在抗干擾上能夠達到很好的效果。但采用這種抗干擾措施時，所要注意的是:選用的金屬絲要耐得住高溫，這樣才能對電極進行有效的保護。
(3)將熱點偶置于空中，使熱電偶與爐壁間的耐火磚不發生接觸。在使用這種抗干擾措施時，應該對熱點偶進行垂直安裝，這樣才能有效避免保護管變形現象的產生，從而降低熱量的損失，增強測溫的穩定性。
(4)可以采用屏蔽方法。這種抗干擾措施能夠使泄漏的電流不再流入測量回路，而是經過金屬屏蔽物直接接地，從而能夠最大限度的降低跳躍問題發生的幾率。
結語:
　　總之，在熱電偶測溫過程中，產生溫度跳躍問題的原因還有很多，例如:熱電偶接線柱和熱電極接觸不良、儀表連接處不牢固、熱電偶安裝不牢固等。對于所出現的每一個問題,都要進行科學細致的分析，提出最佳解決方案，這樣才能有效避免熱電偶溫度跳躍問題的產生。