熱電偶在家電測(cè)試中的使用分析

摘要:介紹了熱電偶的工作原理、電器安全試驗(yàn)中使用的熱電偶的種類及其特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了進(jìn)行安規(guī)測(cè)試時(shí)，熱電偶的使用方法及其注意事項(xiàng)，日常使用的難點(diǎn)、常見(jiàn)誤差和處理方法等內(nèi)容，并探討這些問(wèn)題對(duì)最終的測(cè)量結(jié)果的影響。
引言
　　在家用電器中，帶發(fā)熱元件的器具并不少見(jiàn)，在日常生活和新聞報(bào)道中，因電器老化、短路、發(fā)熱等原因發(fā)生火災(zāi)的事故也總有聽(tīng)聞。為防止器具表面溫度過(guò)高燙傷用戶或?qū)е轮稹⒔^緣失效和觸電等危險(xiǎn)，國(guó)標(biāo)CB4706對(duì)電器的發(fā)熱有相關(guān)要求。因此在進(jìn)行家電產(chǎn)品的認(rèn)證評(píng)審時(shí)，為了考核器具在正常工作或非正常條件下產(chǎn)品表面或其內(nèi)部的溫度，要使用熱電偶進(jìn)行溫升試驗(yàn)，熱電偶作為一種基本的測(cè)溫元件，將直接影響測(cè)試結(jié)果，其精度至關(guān)重要。
1定義
　　目前，在進(jìn)行溫度測(cè)量的試驗(yàn)測(cè)試中，熱電偶是普遍使用的傳感器之一,常見(jiàn)的熱電偶有B型、T型、J型、K型等不同種類和使用條件的熱電偶，其中安規(guī)測(cè)試主要使用的熱電偶為T型熱電偶。熱電偶并不直接測(cè)量溫度，而是利用塞貝克效應(yīng)(Seebeckeffect)，用所產(chǎn)生的熱電勢(shì)測(cè)量溫度"。
　　T型熱電偶，是一種最佳的測(cè)量低溫的廉金屬熱電偶，它的正極(TP)是純銅，負(fù)極(TN)為銅鎳合金，直徑為0.3mm。在線性度、靈敏度等方面方面都具備較好的特性，且價(jià)格便宜，適合實(shí)際工程應(yīng)用要求。但由于其正級(jí)為純銅，存在抗氧化能力差的缺陷，導(dǎo)致其溫度使用上限限制較為明顯，一般使用溫度上限閾值為350℃。
2工作原理
　　熱電偶是由兩種不同成份的導(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端組成的閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接合點(diǎn)處于不同溫度T和T0時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。熱電偶則利用熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量。其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做熱端，另一端叫做冷端。當(dāng)熱端與冷端有溫差時(shí)，測(cè)量?jī)x表便能測(cè)出被測(cè)介質(zhì)的溫度口。熱電偶的熱電勢(shì)隨溫度的升高而增大，其熱電.勢(shì)的大小與熱電偶的材質(zhì)、熱電偶兩端的溫度有關(guān)，而與熱電極的長(zhǎng)度、直徑無(wú)關(guān)門。熱電偶工作原理如圖1所示。
3使用方法及注意事項(xiàng)分析
3.1熱電偶檢查
　　檢查熱電偶外層是否完好，需要滿足:檢查熱電偶外層絕緣皮是否有破損或劃破現(xiàn)象，需要用絕緣膠帶纏上，做好絕緣防護(hù)，熱電偶破損影響測(cè)試結(jié)果;禁止使用有駁接現(xiàn)象的熱電偶，駁接熱電偶采集溫度不穩(wěn)定。
　　檢查熱電偶接頭是否完好，需要滿足:檢查熱電偶接頭是可靠連接;用萬(wàn)用表測(cè)試熱電偶電阻來(lái)確定接頭是否氧化或者損壞:25C常溫下電阻大概是(φ0.32)7Ω/m。如果電阻值過(guò)大則需要重新處理熱電偶接頭，熱電偶電阻過(guò)大，采集溫度不正確。
3.2熱電偶焊接
　　熱電偶焊點(diǎn)焊接質(zhì)量是影響溫度測(cè)量結(jié)果的正確性的因素之一。為了保證測(cè)試的準(zhǔn)確性，一般要求熱電偶焊接點(diǎn)尺寸盡量小、焊點(diǎn)保持光滑且無(wú)損傷。
　　進(jìn)行焊接的電焊及電壓值需要保持在(30~40)V。根據(jù)CTL-OP108決議要求，在實(shí)際的熱電偶焊接中，熱電偶焊接點(diǎn)處于絕緣層之間的距離為1.5mm，當(dāng)熱電偶導(dǎo)線存在外絕緣時(shí)，焊接點(diǎn)距離外絕緣為15mm，焊接完成后，需要按照要求進(jìn)行熱電偶阻值的檢測(cè)，在常溫(25℃)下，熱電偶兩端電阻約為7Ω/m，熱電偶阻值需要滿足要求，才能保證測(cè)試結(jié)果的正確性。
3.3熱電偶布置
　　根據(jù)國(guó)家家電產(chǎn)品安全要求相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于產(chǎn)品溫度和溫升測(cè)試的位置進(jìn)行了明確要求。因此在實(shí)際測(cè)試中，熱電偶布置的部件和位置是有明確要求。但是在確定每個(gè)部件的熱電偶測(cè)量點(diǎn)時(shí)，需要綜合考慮產(chǎn)品和部件所處環(huán)境的熱交換方式、發(fā)熱源所處位置，部件發(fā)熱機(jī)理和部件的熱交換路徑等不同因素。因此在布置熱電偶和測(cè)量產(chǎn)品溫升前，通常使用紅外成像儀等設(shè)備，測(cè)量整體部件和產(chǎn)品的溫度場(chǎng)，分析其溫度分布規(guī)律，最終根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行熱電偶測(cè)量點(diǎn)的選擇。
　　使用高溫膠紙布點(diǎn)時(shí)需要注意:盡量使用一層高溫.膠紙粘貼，面積不能過(guò)大，能夠完全覆蓋熱電偶即可，防止影響元件本身散熱，因此小元器件不推薦使用高溫膠紙。在測(cè)量端不遠(yuǎn)處采用其它方式固定熱電偶，防止外力拉扯。熱電偶接頭應(yīng)被固定在高溫膠紙中部，保證充分接觸。
　　使用AB膠水(406瞬干膠和7452促進(jìn)劑)布點(diǎn)時(shí)需要注意:首先將熱電偶緊靠在被測(cè)元件表面，將406瞬干膠滴在靠近熱電偶接頭的位置上，將7452促進(jìn)劑滴到瞬干膠上。此時(shí)瞬干膠將迅速凝固，熱電偶被固定在元件表面，AB膠水高溫容易變質(zhì)，大大降低粘著力。100℃以上部件不推薦使用。
 
4焊點(diǎn)與絕緣層距離試驗(yàn)與分析
　　在IECEEOD-5012中，提到熱電偶的焊點(diǎn)要求，內(nèi)部絕緣層剝離距離頂端大約1.5mm,外層絕緣層距離頂端剝離15mm。
　　焊點(diǎn)與絕緣層的距離，是否會(huì)對(duì)熱電偶的測(cè)量產(chǎn)生影響，因此設(shè)計(jì)了一組試驗(yàn)進(jìn)行探討。
4.1試驗(yàn)條件
　　基于控制單一變量,減少引起實(shí)驗(yàn)誤差因素的原則，選用同一批次，在外觀和尺寸上一致的熱電偶開(kāi)展試驗(yàn)測(cè)試和分析研究將熱電偶進(jìn)行處理，其中3根熱電偶焊點(diǎn)與絕緣層的距離分別為:6mm、3mm、1.5mm,另外1根熱電偶使用扭擰的方式，使熱電偶與補(bǔ)償線的接觸點(diǎn)距離絕緣層1.5mm。
　　為保證四根熱電偶同時(shí)測(cè)得的溫度一致，同時(shí)為了方便設(shè)計(jì)溫度梯度進(jìn)行不同溫度下的試驗(yàn)探討焊點(diǎn)與絕緣層的距離是否會(huì)對(duì)熱電偶的測(cè)量產(chǎn)生影響，因此使用可選加熱溫度的水壺為試驗(yàn)容器，用水作為待測(cè)物質(zhì)，這樣能保證所有熱電偶同時(shí)測(cè)得的溫度為同一溫度。
4.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)
本次溫升數(shù)據(jù)分別采集可調(diào)溫電水壺在加熱40℃、60℃、80℃、100℃溫度下，等所有熱電偶線讀數(shù)穩(wěn)定且不再波動(dòng)時(shí)，讀取壺內(nèi)水的溫度，其所有溫度如表1所示。
4.3試驗(yàn)結(jié)果及問(wèn)題分析
　　試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，結(jié)果顯示焊點(diǎn)與絕緣層的距離不會(huì)對(duì)熱電偶的測(cè)量產(chǎn)生影響，且使用扭結(jié)的方式測(cè)量的溫度與通過(guò)電焊方式測(cè)量的溫度無(wú)差異。
　　為什么CTL-OP108、ECEEOD--5012中提到焊點(diǎn)處距離絕緣層為1.5mm?焊點(diǎn)處距離絕緣層為1.5mm僅為標(biāo)準(zhǔn)要求，經(jīng)查閱IECEEOD-5012無(wú)焊點(diǎn)處距離絕緣層為1.5mm的理由說(shuō)明。
　　如果不影響測(cè)量數(shù)據(jù)，那么焊點(diǎn)處與絕緣層的距離是否可以是任意數(shù)值?不可以，如果焊點(diǎn)離絕緣層的距離過(guò)大，布置完熱電偶，在移動(dòng)器具或器具工作時(shí),使熱電偶受力，可能導(dǎo)致熱電偶露出部分形成新的接觸點(diǎn)，使焊點(diǎn)失效無(wú)法測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的溫度，影響試驗(yàn)準(zhǔn)確性。
　　熱電偶通過(guò)扭擰形成接觸點(diǎn)測(cè)溫與通過(guò)電焊測(cè)溫?zé)o差異，是否能直接扭擰形成接觸點(diǎn)測(cè)溫?不可以，熱電偶測(cè)量的溫度，為距離絕緣層最近接觸點(diǎn)的溫度。通過(guò)扭擰形成接觸點(diǎn)測(cè)溫，無(wú)法判斷接觸點(diǎn)的具體位置，無(wú)法準(zhǔn)確的測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的真實(shí)溫度，將影響試驗(yàn)正確性。
5測(cè)量的難點(diǎn)
　　熱電偶使用電焊機(jī)進(jìn)行焊點(diǎn)時(shí)，難以保證導(dǎo)線焊點(diǎn)處距離絕緣層為1.5mm，或有外絕緣，焊點(diǎn)離外絕緣的距離為15mm的要求。使用AB膠水(406瞬干膠和7452促進(jìn)劑)進(jìn)行熱電偶的固定時(shí)，難以保證熱電偶的焊點(diǎn)緊貼被測(cè)點(diǎn)沒(méi)有間隙且不能被膠水覆蓋的要求。
　　對(duì)于發(fā)熱量大(超過(guò)100℃)的小型元器件，沒(méi)有合適的方式固定熱電偶。因?yàn)锳B膠水高溫容易變質(zhì),導(dǎo)致熱電偶脫落;使用高溫膠紙，不方便在小型元器件上進(jìn)行固定，且會(huì)影響元件本身散熱。兩者皆會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。
 
　　不同元器件布置熱電偶的要求不一。例如:變壓器等帶有繞組的元器件，熱電偶需布置在繞組處;繼電器等帶有強(qiáng)電且溫度較高的元器件，熱電偶的焊接點(diǎn)安裝后朝上的一面懸空5mm。對(duì)元器件等，無(wú)法使.用測(cè)溫槍尋找最熱點(diǎn)的部件，無(wú)法直觀得出不同元器件的最高溫度點(diǎn)，導(dǎo)致可能測(cè)得的數(shù)據(jù)非該元器件的最高溫度。
6常見(jiàn)誤差和處理方法
　　熱電偶測(cè)量端不規(guī)范，如測(cè)量端過(guò)長(zhǎng)、被氧化或沒(méi)有進(jìn)行焊接處理，會(huì)影響測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。如果沒(méi)有進(jìn)行焊接處理，熱電偶和補(bǔ)償線脫離后，會(huì)導(dǎo)致熱電偶無(wú)法測(cè)量溫度。在熱電偶使用前，需要進(jìn)行視檢，視檢合格后按照規(guī)定焊接(即熱電偶焊好后其導(dǎo)線焊點(diǎn)處距離絕緣層為1.5mm，如果有外絕緣，焊點(diǎn)離外絕緣的距離為15mm)，再使用萬(wàn)用表測(cè)試熱電偶兩端電阻。
　　熱電偶連接處銹蝕或有污垢，或使用AB膠水后殘留的膠塊，會(huì)導(dǎo)致顯示儀表指示值偏低。在熱電偶在使用時(shí)，需要清理干凈。使用熱電偶箱進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，注意連接時(shí)連接柱處不能有水跡或潮濕，要干燥后方可連接通電。
　　熱電偶布點(diǎn)不當(dāng)引起的誤差，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法反映被測(cè)部件的最高溫升數(shù)值及最大溫度，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果與實(shí)際發(fā)熱情況之間存在差異。因此要求在布置熱電偶時(shí)，需要將熱電偶按照要求粘合在被測(cè)部件和產(chǎn)品上。
　　使用AB膠水固定熱電偶，如果熱電偶的焊點(diǎn)被膠水覆蓋，則會(huì)影響測(cè)得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
　　因此在使用AB膠水固定熱電偶，固定點(diǎn)盡可能遠(yuǎn)離熱電偶的測(cè)溫點(diǎn)。
　　熱電偶電極老化時(shí)，會(huì)影響儀器顯示數(shù)值偏低。若只是部分端口老化，只需剪去前端老化的部分，再重新焊接。若老化現(xiàn)象嚴(yán)重，則需要考慮更換熱電偶。
7總語(yǔ)
　　綜上所述，熱電偶的使用并非將兩根導(dǎo)線擰一塊貼上去那么簡(jiǎn)單，如果使用方式不當(dāng)會(huì)影響熱電偶的可靠性和準(zhǔn)確性，產(chǎn)生較大測(cè)量誤差，影響最終的測(cè)試結(jié)果。因此使用者必須從熱電偶的檢查、焊接、固定等各個(gè)環(huán)節(jié)下功夫。正確的使用和管理熱電偶，按照標(biāo)準(zhǔn)在熱電偶測(cè)試前進(jìn)行對(duì)應(yīng)阻值和完整性的檢測(cè)，在要求的檢定周期內(nèi)，對(duì)熱電偶關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定.期檢測(cè)，避免由于熱電偶本身的損壞導(dǎo)致的偏差影響最終的檢測(cè)結(jié)果。