论文-热电偶的工作原理和常见故障分析总结

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热电偶的工作原理和常见故障分析总结

【摘要】：温度是热力控制系统中重要的参数之一，而热电偶因其测量精度高、范围广，为广大的工业过程控制企业采用。本文从热电偶的工作原理展开讨论，以某自备电厂各台机组出现过的有关热电偶故障信息为基础来分析，总结热电偶温度元件的故障原因和处理方法，供热工与其他专业感兴趣的技术人员提供学习参考。

【关键词】：赛贝克效应 热电偶 补偿导线 热电动势

温度是热力控制系统中重要的参数之一，所测温度信号的准确性将直接影响到机组运行的稳定性和安全性。因热电偶其测量温度精度高、范围广，电厂的温度测点极大多数采用热电偶温度元件，低温区域的测点如主机油温、轴承线圈温度；高温区域测点如炉管壁温、各级过热器出口温度等；部分需测量局部平均温度的测点则采用热电阻，如送风机入口温度等，数量较少。因此自备电厂多采用热电偶测温元件，下文将以热电偶展开讨论，热电阻不在本文讨论之列。

热电偶的基本原理

将两种不同材料的导体或半导体A 和B 焊接起来，构成一个闭合回路，如图1-1 所示。当导体A 和B 的两个连接点1 和2 之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中产生电流,这种现象称为塞贝克效应（Seebek

effect），所产生的电动势称为热电动势，流过的电流称为热电流。

图1-1 热电动势产生的原理图

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热电偶是一种利用赛贝克效应制成的温度传感器。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。直接用作测量介质温度的一端叫工作端（测量端），另一端称为冷端（补偿端）。

热电偶的导体材料一般都属于贵金属，而测温点到仪表的距离都很远，为了节省热电偶材料，降低成本，通常采用补偿导线把热电偶的冷端（补偿端）延伸到温度比较稳定的控制室内，连接到仪表端子上。这里必须指出的是，热电偶补偿导线的作用只起延伸热电极，使热电偶的冷端移动到控制室的仪表端子上，它本身并不能消除冷端温度变化对测温的影响，不起补偿作用。因此，还需采用其他修正方法来补偿冷端温度t0≠0℃时对测温的影响。

热电偶的性能特点

①测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。常用的热电偶从-50～+1600℃均可连续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁-镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和长度的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

④信号低，易受外部信号干扰。因热电动势产生的范围在0～70mV 之间的毫伏级电压信号，信号相当弱，极易受外部信号干扰，所以在热电极生产、现场安装、补偿导线屏蔽要求较高。

⑤价格低廉、寿命长。一根普通国产的热电偶几百元左右，常规环境下一般可稳定运行4～6 年时间，主要受到腐蚀、磨损等原因而影响使用寿命，很少会发生机械故障。

热电偶的种类

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988 年1 月1 日起，热电偶和热电阻全部按IEC 国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T 七种标准化，热电偶为我国统一设计型热

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电偶。

E 型（镍铬-铜镍）热电偶在常用热电偶中，其热电动势最大，即灵敏度最高。宜在氧化性、惰性气氛中连续使用，使用温度0-800℃。电厂根据生产过程的实际需求、各个分度表热电偶的特性以及性价比，绝大部分的热电偶采用E 型热电偶，少数测点因测量精度要求较高或测点温度较高如炉膛烟温采用K 型（镍铬-镍硅）热电偶。

图1-2 标准热电偶的热电特性曲线

按照热电偶的组成形式可分为热电偶测温导线、铠装热电偶和装配式热电偶三类。如图1-3所示。热电偶测温导线是用外带绝缘的热电偶丝焊接而成，结构简单响应速度快，但电厂因环境因素影响很少使用，主要使用铠装热电偶和装配式热电偶。其热电偶只是结构有所不同，性能是一致的。

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图1-3 热电偶组成形式

热电偶的安装要求

因热电偶信号是毫伏级电压信号，信号在传递过程中对抗干扰的要求极高，故对补偿导线及补偿导线的敷设要求比一般模拟量信号电缆要高，具体要求根据使用情况整理，有如下几条：

1、在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错；

2、补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃；

3、测温回路的负端与屏蔽线单侧接地，以避免引起共模干扰；

4、补偿导线走向应避开与强电电缆同电缆槽架，若只能放在同一桥架内时，最好能用隔板将补偿电缆隔开，电流小于10A 的电缆应保持150mm 以上距离，电流大于10A的应保持在600mm 以上，避免干扰信号窜入回路中。

热电偶常见故障分析

热电偶在运行维护中发生的故障率相比其它仪表设备偏低，但是一旦发生故障之后，查找原因相比较困难，常规的检查方法是将计算机或二次仪表侧的接线解开，将温度元件与系统断开，缩小排查范围，从热电极到补偿导线逐一进行检查、分析，再根据具体情况处理故障。在电厂三台火电机组的实际维护中，热电偶出现的故障，总结有如下几种情况：

1、显示值比实际值偏小。热电动势比正常值偏低，造成这种原因的因素比较多，在这里暂不讨论二次仪表转换环节出现的问题（下同）。可能原因为热电极短路、接线端子或补偿导线短路、热电偶特性失效等等，应从简而难一一排除。检查热电极直流电阻以及补偿导线绝缘阻值，一般热电偶的直流电阻在100 欧左右，补偿导线绝缘要求在500V电压下应达到100M 欧以上；现场接线端子是否正常、是否存在积灰较严重。若检查一切正常最后看能否采取更换热电偶消除故障。如果在年修之后出现这种缺陷现象，还因考虑检查热电偶接线端子是否接反、是否是新放、补偿电缆型号是否与之匹配、极性是否接反。曾在一次1 号机组年修后，出现过一主蒸汽温度显示值同双支的另一温度值相比低10 度左右，经过仔细检查，发现该温度信号是技改项目新增信号，补偿导线是在年修中新敷设，因型号不匹配导致故障发生，更换补偿导线后，故障消除。

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2、显示值比实际值偏高。即热电势比实际值偏高。发生这种故障的原因可能为补偿导线绝缘不佳导致干扰信号窜入，也有可能是因为热电极性能发生失效，一般处理过程与情况1 相似，各种具体情况可综合考虑进行处理。

3、热电势输出不稳定或无输出。可能的原因是接线端子锈蚀不导通、松动、松脱，补偿导线瞬间短路或瞬间接地或将断未断开，也有可能热电极将断未断，也有可能是受到外界干扰。各种原因应一一进行排除，对于外界干扰是无法从测量上进行判定的，只能从温度变化和现场电缆走向情况进行综合分析，并采取有效的屏蔽措施进行处理。曾经发生一级减温水调节阀全开，二级过热器入口温度急剧下降的险情。经过历史数据的分析发现，二级过热器入口温度突然急速从436 度下降到182 度，又急速恢复正常值，在这瞬间由于调节参数作用造成一级减温水全开，过热器出口温度骤降。

热电偶测温是一个缓慢变化并带有滞后的过程，从数据变化的趋势来看，如此急速变化显然不是热电偶真实测得温度。之后借助停机机会请DCS供应商专家分析诊断排除控制逻辑与卡件故障之后，我们将故障原因转向现场，经过仔细排查分析，我们发现这个温度元件的补偿导线是最近重新敷设的，在电缆走向中与众多新排放强电电缆并排放在一起并有缠绕现象，怀疑强电干扰窜入回路造成信号突变。经过电缆整治之后，机组复役运行至今未出现类似现象，故障应已消除。

4、热电偶热电势误差大。在正常运行中发生可能的原因是热电偶变质或保护管表面积灰，造成温度测量偏差大。这种情况在运行中较易判定，重新更换热电偶即可。总之，在处理热电偶故障时，应将温度元件、补偿导线分开一一检查的同时，还应考虑其他情况，综合各种现场因素，特别是现场错综复杂的信号干扰，进行处理。

针对故障提出的建议

热电偶出现的有些故障很难排除也很难解释原因，故在检修中不应忽视热电偶的检修，做到未雨绸缪，在年修中至少要做到：

1、重要的温度测点元件应送仪表校检，不符合技术要求的温度元件要及时更换；

2、重视热电偶补偿导线的绝缘检查，技术值应严格按照相关规定执行；

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3、对于易发生热电偶磨损、腐蚀的测点，除了要加强措施，如在磨煤机出口温度测点安装防护板，减少磨损，另外还可根据实际情况进行周期性更换，以保证机组的安全稳定运行。