热电偶的工作原理及结构详解

热电偶，这一测温元件，由两种不同成分的导体焊接而成。其直接与被测物体接触的部分，即测量端，也被称为热端；而接线端子端，则被称为参比端或冷端。当测量端与参比端之间存在温差时，热电偶回路中便会产生热电势，这一现象即热电效应。正是基于这一原理，热电偶得以广泛应用于温度测量。

装配式热电偶的结构则包括接线盒、接线端子、保护套管、绝缘瓷管以及热电极等部分，部分产品还配备了多种安装固定装置，以适应不同的生产现场安装需求。

2 热电偶的原理及结构

热电偶，作为一种重要的测温元件，其工作原理基于热电效应。它由两种不同成分的导体焊接而成，其中直接与被测物体接触的部分被称为测量端或热端，而另一端则称为参比端或冷端。当测量端与参比端之间存在温差时，热电偶回路中便会产生热电势，从而实现对温度的测量。此外，热电偶的结构也相对复杂，通常包括接线盒、接线端子、保护套管、绝缘瓷管以及热电极等多个部分。这些组件的巧妙组合，使得热电偶能够适应不同的生产现场安装需求，广泛应用于温度测量领域。
铠装热电偶，以其细长、易弯曲、热响应迅速、抗冲击振动以及坚固耐用的特性，在温度测量领域中发挥着重要作用。它不仅适用于各种复杂的生产现场，还可作为装配式热电偶的内芯元件进行使用。其测量端结构形式多样，包括绝缘式、露端式和接壳式三种，使得它能够灵活应对不同的测量需求。
①在常规情况下，若无特别指明，铠装热电偶多选用绝缘式设计，因其具备良好的抗干扰能力。
②需注意，绝缘式铠装热电偶的热响应速度较接壳式稍慢。
③绝缘式铠装热电偶适用于外径范围在0.5至8毫米之间的热电偶。
①接壳式铠装热电偶具有较快的热响应速度。
②然而，接壳式铠装热电偶在存在电磁干扰的环境中可能表现不佳。
③其使用受到一定限制，要求热电偶的外径与保护管内径之比满足0.8D＞H＞0.1D的条件。

3（3）热电偶的冷端温度补偿

热电偶所产生的热电势，其大小并非仅与测量端温度相关，参比端（即冷端）的温度同样对其产生影响。在参比端温度保持恒定的情况下，热电动势与测量端温度之间呈现一一对应的关系。然而，在实际应用中，参比端的温度往往因环境而异，难以恒定在0℃。这种冷端温度的变化会导致测量结果产生偏差。因此，为了确保测量结果的准确性，有必要对热电偶的冷端进行温度补偿。

4 热电偶故障检查判断及处理

(1) 温度显示最小
当温度显示达到最小值时，这可能是由于热电偶的极性接反，导致反极性的热电势输入给仪表。在YR-GFC系列数字显示仪表中，如果热电偶极性接反，上排PV大窗口会显示一个带“-OL-"符号的提示。此时，可以通过短路仪表输入端子来检查显示仪表是否正常，如果能显示室温，则说明显示仪表正常。接着，可以尝试对换输入信号线的极性，观察显示是否能够恢复正常。如果仍然不正常，可以进一步检查显示仪表是否能够正常接收热电势信号。

对于热电偶正负极标志不清的情况，可以根据热电偶的类型进行判断。例如，对于S型和R型热电偶，可以轻轻折下电极，较软的那根往往是负极。对于K型和N型热电偶，则可以利用磁铁吸电极的方法，亲磁的那根是负极。而对于J型热电偶，亲磁的那根实际上是正极。

(2) 温度显示最大
当数字显示仪的显示超过仪表量程上限，上排PV大窗口会显示“-OH-"符号。这通常意味着温度显示达到了最大值。可能的原因包括：热电偶断路、接线错误或仪表故障等。需要逐一排查这些可能的原因，以确定并解决问题。
①仪表配备了传感器断路检测功能，一旦热电偶或其接线出现断路，仪表会显示最大值并触发报警。因此，需要仔细检查热电偶及其连接电路，以确定是否存在断路故障。

首先尝试短接XS的接线端，并观察仪表是否能够显示室温。如果不能显示，那可能意味着XS端子至显示仪表输入端的接线存在断路。如果能显示室温，则进一步操作。拆下XS端子并连接至1号端的补偿导线，然后使用万用表测量该补偿导线以及2号端的电阻。同时，也要测量热电偶及其补偿导线的电阻值。如果电阻值异常高或无穷大，那可能表示热电偶或补偿导线存在接触不良或断路的问题。此时，应仔细检查接线螺钉是否松动，特别是热电偶接线盒内的螺钉，因为高温、潮湿等环境因素可能导致螺钉或补偿导线腐蚀，进而出现接触电阻增大或不导电的情况。需要注意的是，热电偶接线盒内通常有四颗接线螺钉，其中两颗用于固定补偿导线与接线柱，而另外两颗则用于固定热电偶丝与接线柱。有时，由于某些螺钉不太明显，可能会被忽视，导致无法找到故障点。
②热电偶与显示仪表的分度号不匹配时，仪表可能会显示最大值。这种情况常出现在新安装的系统或更换热电偶或显示仪表后。为了解决这个问题，我们需要分别检查热电偶及显示仪表，并核实参数设置，包括分度号、量程上下限等，以确保它们设置正确。

(3)温度显示偏高
当显示的温度明显高于实际测量值时，这可能是由于热电势值偏高所致。在排除工艺因素后，我们应检查显示仪表和热电偶。对于新安装或更换的仪表，重点要核实显示仪表与热电偶的分度号是否搭配正确。

(4)温度显示偏低
若显示的温度明显低于实际测量值，即热电势值偏低，同样需要排除工艺因素的影响。此时，我们仍需检查显示仪表和热电偶，并注意热电偶与补偿导线的极性是否接反。例如显示温度始终在室温附近不变，这可能是由于补偿导线短路或热电偶极性接反所致。在检查时，我们可以拆除一根补偿导线并测量电阻值，以判断是否存在短路故障。同时，我们还需要使用标准表如过程校验仪来输入热电势给显示仪，以进一步判断显示仪表是否存在故障。

(5)温度显示波动

温度显示波动是指仪表显示值出现不稳定，时高时低，甚至乱跳字等现象。这种波动通常是由输入给显示仪表的热电势不稳定所导致的。为了判断波动来源，我们可以尝试短路显示仪表的信号输入端。如果此时能稳定显示室温，则说明显示仪本身正常，问题在于其之前的电路。接下来，使用标准表测量热电势，观察其是否波动。若无波动，则可能是受到了某种干扰；若热电势有波动，则可能是接触不良，可以通过电阻法进行检查。

如果波动非常明显且幅度很大，那可能是热电偶的保护套管已经泄漏。此时，应将热电偶从套管中抽出进行检查。若发现热电偶的瓷珠发黑或潮湿、带水，即可确认保护套管已泄漏。在处理此类问题时，务必注意安全，并采取必要的安全措施，由专人配合进行检查。

此外，热电偶接线盒的密封不良也可能导致问题。若保护套管内进入水汽，会降低其绝缘性，从而引发不规则的接地或短路现象，导致热电势不规则分流，使显示仪表上的值无规律地波动。同时，热电偶安装环境的气氛也可能影响其使用，长时间使用后可能出现热电极老化变质或热端焊点出现裂纹等问题，也会引发波动故障。

针对热电偶输出热电势不稳定的问题，可以按照以下步骤进行检查和处理：

在电加热电炉的测温系统中，当温度升高时，耐火砖和热电偶保护套管的绝缘性能会下降，导致加热用的交流电可能泄漏到热电偶中，从而引发干扰。此外，交流用电设备的电磁场感应以及变频器产生的谐波干扰等，都可能窜入热电偶的测量回路，造成干扰。为了检测是否存在干扰，我们可以使用电子交流毫伏表或数字万用表的交流电压挡，测量XS接线端子1、2端间的串模干扰电压，以及1、2端对地的共模干扰电压。一旦发现干扰，应立即采取措施进行克服。
在电加热电炉的测温系统中，由于多种原因可能导致干扰问题。当温度升高时，耐火砖和热电偶保护套管的绝缘性能会受到影响，这可能导致加热用的交流电部分泄漏到热电偶中，进而引发测量干扰。同时，交流用电设备产生的电磁场感应以及变频器产生的谐波干扰等，也可能通过某种途径窜入热电偶的测量回路，造成测量误差。为了及时发现并处理这些干扰问题，我们可以采用电子交流毫伏表或数字万用表的交流电压挡，对XS接线端子1、2端间的串模干扰电压以及1、2端对地的共模干扰电压进行测量。一旦检测到干扰电压超出正常范围，就应立即采取相应的措施来消除这些干扰，以确保测温系统的准确性和稳定性。