楊玉齋 邵光達(dá) 陳劍 張少君

（中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化研究院 北京 100088）

1 前言

在家用電器能效檢測(cè)領(lǐng)域里（以下簡(jiǎn)稱能效檢測(cè)）涉及到溫度參數(shù)的測(cè)量，其中有一部分產(chǎn)品通常使用的測(cè)量裝置是熱電偶，例如電冰箱耗電量、熱水器24小時(shí)固有系數(shù)、電飯鍋熱效率、微波爐微波功能及燒烤功能等能效測(cè)試項(xiàng)目。熱電偶測(cè)量溫度的主要優(yōu)點(diǎn)為：測(cè)量范圍廣，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，熱慣性小，信號(hào)可以遠(yuǎn)距離傳送和多點(diǎn)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)集中檢測(cè)和控制。盡管熱電偶測(cè)量溫度具有上述描述的很多優(yōu)點(diǎn)，但是如果熱電偶安裝或使用不當(dāng)仍然會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，影響最終的測(cè)試結(jié)果。因此在上述能效檢測(cè)中正確的使用熱電偶是其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，下面通過介紹熱電偶的工作原理、熱電偶種類和相應(yīng)特點(diǎn)、以及熱電偶使用過程中出現(xiàn)的問題和對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，使熱電偶使用者能夠了解熱電偶的有關(guān)基本知識(shí)，并正確的使用和管理熱電偶，避免熱電偶不當(dāng)使用影響到最終的檢測(cè)結(jié)果。

2 熱電偶的簡(jiǎn)單工作原理

最簡(jiǎn)單的熱電偶測(cè)量回路由兩種不同金屬或合金A、B組成，測(cè)量線路見圖1所示，A、B稱為熱電極，它們的一端通常焊接在一起形成接點(diǎn)1，成為測(cè)量點(diǎn)（工作端或熱端），另一端接點(diǎn)2稱為參考端（自由端或冷端）。測(cè)溫時(shí)，將熱電偶的測(cè)量端置于被測(cè)溫場(chǎng)中，其參考端恒定在某一溫度下，然后通過連接導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連。由于熱電偶兩端所處的溫度不同，在熱電偶回路中就有電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生。用測(cè)量?jī)x表測(cè)的電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值后，便可以間接得到相應(yīng)的溫度或者直接由測(cè)量?jī)x表指示出溫度。

3 能效檢測(cè)中常用到的熱電偶種類和其特點(diǎn)

家用電器能效檢測(cè)中通常使用K型（鎳鉻-鎳硅）、T型（銅-康銅）和J型（鐵-銅鎳）熱電偶，其中T型熱電偶最為常用，下面分別介紹具體的使用場(chǎng)所和特點(diǎn)。

K型熱電偶是一種應(yīng)用十分廣泛的高溫廉價(jià)金屬熱電偶，測(cè)溫范圍為-50℃～1300℃，這種熱電偶具有較好的抗氧化性能，可以在氧化性氣氛或空氣中長(zhǎng)期使用，在真空及惰性氣體中僅能短期使用。在500℃以上，不宜在還原性氣氛以及硫、硫化物的氣氛中使用。K型熱電偶不足之處是穩(wěn)定性差，如果長(zhǎng)期在高溫下使用，由于合金中溶質(zhì)元素的擇優(yōu)氧化會(huì)使熱電特性不穩(wěn)定；大約在250℃～550℃范圍內(nèi)，由于存在短短有序結(jié)構(gòu)，熱電勢(shì)出現(xiàn)與加熱程序有關(guān)的不規(guī)則變化，及升溫檢定與降溫檢定結(jié)果不一致；在150℃-200℃內(nèi)，K型熱電偶負(fù)極容易發(fā)生極性轉(zhuǎn)變。上述這些原因均導(dǎo)致熱電勢(shì)不穩(wěn)定。

圖1 熱電偶的測(cè)溫線路

圖2

圖3

T型熱電偶是一種準(zhǔn)確度高的廉金屬熱電偶，所用的銅和康銅材料都容易提純，復(fù)制性好，銅純度高，無應(yīng)力。T型熱電偶不足之處是銅容易被氧化，所以不得在超過350℃的氧化性氣氛中使用。

J型熱電偶的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)可以在氧化性、惰性氣氛、真空及還原性氣氛中使用，測(cè)溫范圍為-40℃～+750℃，J型熱電偶的缺點(diǎn)是在濕氣中使用容易生銹，低于0℃可能出現(xiàn)脆化現(xiàn)象，它的準(zhǔn)確度和均勻性不如T型熱電偶。

4 熱電偶在使用過程中出現(xiàn)的問題和對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響

4.1 熱電偶在使用過程中出現(xiàn)的問題。

大多數(shù)使用者會(huì)誤認(rèn)為熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用簡(jiǎn)單，用一句話簡(jiǎn)單的概括為“熱電偶兩根線，接上就完事”,就是因?yàn)檫@樣的錯(cuò)誤理解使得使用者對(duì)熱電偶的原理和使用的注意事項(xiàng)不了解，疏忽平時(shí)對(duì)熱電偶的管理，使得熱電偶在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)下面列舉的一些問題：

(1)熱電偶測(cè)量端不規(guī)范，如測(cè)量端過長(zhǎng)、被氧化或沒有進(jìn)行焊接處理。

(2)沒有根據(jù)被測(cè)環(huán)境的溫度選用合適的熱電偶，如熱電偶的外部絕緣材料超出了使用溫度。

(3)在測(cè)量溫度動(dòng)態(tài)變化快的場(chǎng)合，使用了動(dòng)態(tài)溫差大的熱電偶以及儀表。

注：當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度變化后，由于熱電偶的熱慣性和儀表的機(jī)械慣性，使測(cè)量?jī)x表來不及立即指示出變化了的溫度，由此引起的測(cè)量誤差稱為動(dòng)態(tài)誤差，也稱為熱響應(yīng)時(shí)間。

(4)沒有對(duì)熱電偶的平常使用進(jìn)行有效管理，新制作的熱電偶沒有進(jìn)行檢定和有效的確認(rèn)，經(jīng)常使用的熱電偶沒有相應(yīng)的措施來驗(yàn)證其特性是否發(fā)生變化。

(5)在熱電偶的測(cè)量回路中沒有采取有效的防干擾的措施。

4.2 熱電偶使用過程中出現(xiàn)的問題對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。

上述熱電偶使用中出現(xiàn)的情況會(huì)不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響呢？下面通過具體的能效實(shí)驗(yàn)和相關(guān)分析來進(jìn)行確認(rèn)。

(1)通過熱水器24小時(shí)固有能效系數(shù)試驗(yàn)來確認(rèn)情況a(熱電偶測(cè)量端過長(zhǎng))對(duì)測(cè)試結(jié)果是否有影響。

熱水器24小時(shí)固有能效系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)前需要將熱電偶緊緊的貼在容器內(nèi)膽外表面上測(cè)量水的溫度，熱電偶的布置的兩種情況見圖2。

圖中圓的中心為需要測(cè)量的位置，圖1(a)顯示的熱電偶測(cè)量端過長(zhǎng)，圖1(b)熱電偶測(cè)量端規(guī)范，測(cè)量端緊貼在容器內(nèi)膽外表面。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)兩種情況測(cè)試的結(jié)果有差異，溫度相差超過2K，已經(jīng)大大超出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫度測(cè)量誤差0.5K的要求。

注：GB 21519-2008 《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及等級(jí)等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量溫度用儀表其準(zhǔn)確度在0.5K以內(nèi)。

(2)通過微波爐燒烤能效測(cè)試來確認(rèn)情況b(不能經(jīng)受高溫的熱電偶卻用到了高溫場(chǎng)合)對(duì)測(cè)試結(jié)果是否有影響。

微波爐燒烤能效測(cè)試實(shí)驗(yàn)需要用熱電偶測(cè)量腔體中心位置的溫度，現(xiàn)分別在中心點(diǎn)布置了兩種熱電偶，一種熱電偶（A熱電偶）經(jīng)確認(rèn)表面材料的耐溫不超過100℃，另一種熱電偶(B熱電偶) 經(jīng)確認(rèn)表面材料的耐溫溫度不超過250℃。給微波爐通電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，前幾次實(shí)驗(yàn)兩者測(cè)試的溫度還沒有太大差異，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加，發(fā)現(xiàn)A熱電偶的實(shí)驗(yàn)后表面的材料已經(jīng)軟化，最終兩種熱電偶測(cè)試的溫度相差10℃左右，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫度測(cè)量誤差1℃的要求。

注：GB 24849-2010 《家用和類似用途微波爐能效限定值及能效等級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)要求此項(xiàng)目溫度測(cè)量使用的熱電偶，線徑不超過0.3mm，在0℃～100℃溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確度應(yīng)為0.5℃，在100℃～300℃溫度范圍內(nèi)準(zhǔn)確度應(yīng)為±1℃。

(3)仍然通過微波爐燒烤能效測(cè)試來確認(rèn)情況c(在測(cè)量溫度動(dòng)態(tài)變化快的場(chǎng)合，使用了動(dòng)態(tài)溫差大的熱電偶和儀表)對(duì)測(cè)試結(jié)果是否有影響。

使用兩種不同的測(cè)量溫度儀器來測(cè)量腔體中心位置的溫度，分別為測(cè)量?jī)x器A和測(cè)量?jī)x器B，兩者的動(dòng)態(tài)特性不同，儀器A相比儀器B能夠比較快得指示出變化后的溫度。兩者使用的熱電偶種類相同，熱電偶布置在微波爐腔體的中心位置。測(cè)試前腔體內(nèi)溫度平衡至環(huán)境溫度，兩種測(cè)試設(shè)備測(cè)的溫度均為20℃，微波爐工作后，腔內(nèi)的溫度變化非?？?，在5分鐘內(nèi)，從20℃能夠上升至170℃左右，儀器A能夠及時(shí)的指示出變化了的溫度，儀器B測(cè)得溫度有些滯后，5分鐘時(shí)兩者測(cè)試的溫度相差7℃，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于溫度測(cè)量誤差1℃的要求。

(4)對(duì)于情況d（沒有對(duì)熱電偶的使用進(jìn)行有效管理）是否對(duì)測(cè)試結(jié)果有影響可以運(yùn)用熱電偶遵循的均質(zhì)導(dǎo)體定律來說明，如果熱電偶絲是均質(zhì)的，那么依據(jù)均質(zhì)回路定則，測(cè)量結(jié)果與長(zhǎng)度無關(guān)。然而，熱電偶絲并非均質(zhì)，尤其是廉價(jià)金屬熱電偶絲其均質(zhì)性較差，又處于具有溫度梯度的場(chǎng)合，那么其局部將產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)稱為寄生電勢(shì)。由寄生電勢(shì)引起的誤差稱為不均質(zhì)誤差。 可見不同品牌和不同批次的的熱電偶還是有差異的，而且熱電偶將隨其種類、直徑、使用溫度、氣氛、時(shí)間的不同而變化劣化現(xiàn)象，是一個(gè)量變過程，對(duì)其定量很困難，如果沒有對(duì)熱電偶進(jìn)行有效的管理有可能會(huì)造成熱電偶不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的現(xiàn)象。

(5)對(duì)于情況e（在熱電偶的測(cè)量回路中沒有采取有效的防干擾的措施）主要因?yàn)槿绻麩犭娕紲y(cè)量回路附近有大功率的電動(dòng)機(jī)、變壓器、強(qiáng)電流導(dǎo)線時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，在熱電偶的測(cè)量回路中產(chǎn)生附件電動(dòng)勢(shì)，造成測(cè)量誤差。而大部分家用電器都存在電磁干擾現(xiàn)象，例如電磁爐對(duì)熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的干擾就很厲害，曾經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中遇到過一種情況，在電磁爐不工作的時(shí)候，熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)是正常的，當(dāng)電磁爐工作的時(shí)候，熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

5 熱電偶的使用和管理建議

從以上方面可以看出熱電偶的使用并不象開頭提到的那樣接上就完事那樣簡(jiǎn)單，在使用過程中還是有很多方面需要注意，下面針對(duì)以上出現(xiàn)的情況分別給出正確使用與管理熱電偶的建議：

(1)按照?qǐng)D3（a）、(b)、(c)所示及其要求對(duì)熱電偶測(cè)量端進(jìn)行處理。

首先將熱電偶從末端剝開內(nèi)部絕緣約1.5mm.,如有外部絕緣則從距末端15mm剝開，然后將兩電極頂端并齊或絞成麻花狀，絞成麻花狀時(shí)纏繞的圈數(shù)不宜超過3圈，否則測(cè)量端就不是頂端而向上移動(dòng)。然后進(jìn)行焊接，常用的焊接方法有點(diǎn)焊和絞狀點(diǎn)焊。

(2)測(cè)試前一定要確認(rèn)熱電偶絕緣層材料的使用溫度，根據(jù)測(cè)試的溫度選用合適的熱電偶。絕緣材料種類很多，一般分為有機(jī)和無機(jī)絕緣兩大類，下表1列舉了一部分經(jīng)用到的絕緣材料的使用溫度。

(3)在測(cè)量溫度動(dòng)態(tài)變化快的場(chǎng)合，應(yīng)選用符合要求的動(dòng)態(tài)誤差小的熱電偶及儀表。

(4)應(yīng)對(duì)熱電偶進(jìn)行日常管理，新購(gòu)置的熱電偶線應(yīng)該有廠家提供的符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的證明，新制備的熱電偶在投入使用前應(yīng)進(jìn)行檢定/校準(zhǔn)或有效確認(rèn)，對(duì)使用中的熱電偶應(yīng)進(jìn)行定期檢定/校準(zhǔn)和期間核查。期間核查可以利用0℃的冰水混合物和100℃的沸水作為標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行。

(5)為避免干擾，測(cè)試用電源與熱電偶的測(cè)溫系統(tǒng)的供電電源盡量應(yīng)隔離開，測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)安裝相應(yīng)的防干擾裝置，避免電磁干擾影響到溫度的測(cè)量。

6 結(jié)語

綜上所述，熱電偶的使用并不象開頭提到的那樣接上就完事那樣簡(jiǎn)單，如果安裝或使用不當(dāng)仍然會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題，影響最終的能效測(cè)試結(jié)果。因此使用者應(yīng)該對(duì)熱電偶的工作原理和熱電偶種類和其特點(diǎn)有一定了解，正確的使用和管理熱電偶，避免由于熱電偶不當(dāng)使用影響到最終的檢測(cè)結(jié)果。

表1 熱電偶絕緣材料的使用溫度

[1]GB 21519-2008 《儲(chǔ)水式電熱水器能效限定值及等級(jí)等級(jí)》

[2]GB 24849-2010 《家用和類似用途微波爐能效限定值及能效等級(jí)》

[3]GB/T 8059系列標(biāo)準(zhǔn)

[4]CTL-OP108

[5]中國(guó)計(jì)量出版社 《溫度計(jì)量》