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【摘 要】本文重点介绍了热电偶信号采集和处理的基本原理，本文总结了常见热电偶故障现象，针对上述现象根据笔者经验列举出了热电偶故障排查的方向，为检修工作中经常接触热电偶仪表的工程技术人员提供借鉴和解决问题的思路。
【关键词】热电偶；热电势；赛贝克效应
引言
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理基于赛贝克（Seeback）效应，即指在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象现象。常见工业热电偶通常采用2种不同材料的均质金属丝顶端焊接而成，当热电偶的两端处于不同的温度环境下，其2根金属丝之间会产生热电动势，不同材料的均质金属丝在不同的温度下产生的热电势不同，但热电势与热电偶两端温差之间始终保持严格的单值函数关系。用导线将上述由于两端温度不同而产生的微弱热电动势（mV级）引入测量装置内经过函数逆运算即可得到当前测点的温度。
1热电偶的主要特点及分度号
鉴于其工作原理，常见工业用热电偶由以下主要特点：结构简单、抗震、测量精度高（铂铑10-铂精度可达±0.25%t）、测温范围大（-270℃～2800℃）、热惯性小响应迅速、机械强度高，耐压性能好、使用寿命长等，因此标准化热电偶在工业生产活动中应用极其广泛，根据热电偶2个极的不同材质，通常将标准化热电偶分为S、B、E、K、R、J、T七种，工业生产中工程师综合考虑应用场合的测温范围、响应时间要求、热偶丝或护套管的抗化学腐蚀能力、成本、抗磨损或抗震要求等因素来选择适用型号的热电偶。
2.工业生产中热电偶信号的采集和处理
在工业生产过程中温度传感器通过感应温度参数输出电压、电流或者电阻信号由温度采集设备接收并转换处理，根据是否需要供电，可以将温度传感器分为有源和无源传感器两种。热电偶作为无源传感器、不需要额外工作电源即可将温度信号直接转换为热电势信号输出。
热电势信号为mV级的微弱电信号，其采集模块的信号采集原理通常基于平衡电桥技术和恒流源技术。平衡电桥技术比较经典，其缺点是体积大、速度漫、调校烦琐、稳定性差、抗干扰能力差；恒流源技术是比较先进的采集技术，速度快、稳定性高，抗干扰能力强。所以采用平衡电桥技术的采集模块一般体积较大，在强电磁干扰环境下采集数据波动大（抗干扰能力差）。
热电偶的热电势是热电偶工作端两端温度差值的函数，而不是热电偶冷端与工作端温度差值的函数。当热电偶其中一个工作端保持温度恒定且已知，则通过采集热电偶产生的热电势对照分度表或代入线性函数即可推算出另一端的实际温度。为了保持工作参考端的温度恒定，采用与热电偶热电性能相近的廉价材料做成的补偿导线将热电偶延长至恒温区域，实验室条件下通常将其延伸入冰桶中以保持参考端结点处于0℃。在实际工业生产过程中，若对热电偶测温精度要求不高，通常采用PT100热电阻测量室温代替冰桶作为热电偶的冷端补偿温度，即所谓冷端补偿。如果热电偶参考端所处的室温恒定近似恒定，测量温度精度要求不高的前提下，也可以采用手动输入当前室温的方式为热电偶进行冷端补偿。判断一个热电偶模块是否具自带冷端补偿功能，工程上最简单的方法是将采集模块的2个热电偶信号输入端子在线短接，如果此时显示终端温度值为室温，则该模块自带温度补偿功能。
在采集模块的信号输入端口的电路中通常采用差动输入方式，因该方式具有较强抑制共模干扰的能力。通过工业生产过程中的观察，笔者发现有些仪表在较复杂的环境下，尽管输入信号没有任何异常，但采集结果却异常得让我们无法理解，其实是共模干扰的问题。信号输入模块经过调理后即开始按照热电势信号与温度信号的函数关系转换，由于热电偶的电阻---温度是非线性的，在精度要求不高的情况下可以模拟线性化处理，但这种温度转换精度不高。另外可以采用多项式系数进行线性逼近，但其精度取决于修正逼近多项式的阶数，温度范围越宽，多项式阶数越高，计算处理时间也越长。当多项式阶数过高时，为了节省运算处理时间，通常采用的方式是分度表查表转换是先采集热电偶的热电势值，根据当前热电势的数值查对应型号的分度表，最后转换成温度信号，这种方法转换精度高，适合各种信号热电偶的非线性转换。
3.工业热电偶的常见故障以及原因分析
1）热电偶显示值比实际温度低
先查看热电偶信号处理模块是否与热电偶型号对应，若确认型号正确，将热电偶2个接线端子短接，查看示数是否变化，若无变化，则查看热电偶的接线端子是否锈蚀，检查温度补偿回路是否正常；若采用软件补偿，则查看软件设定的室温值是否正确。检查热电偶安装位置和深度，检查补偿导线材质是否与热电偶2个极材质对应，若以上均无异常，可能热电偶本身材料变质，可尝试更换新热电偶。
2）热电偶显示值比实际温度高
短接热电偶接线端子，检查补偿回路工作是否正常；检查补偿导线材质是否与热电偶2极对应；检查热电偶回路中是否有额外电势串扰，比如补偿导线与热电偶单极之间结点焊材是否满足要求，屏蔽层是否正确接地。若以上均无异常，可尝试更换热电偶后观察示数是否正常，若以上均无异常，可能热电偶本身材料变质，可尝试更换新热电偶。
3）热电偶显示值突增突减甚至超量程或显示坏点
检查热电偶以及补偿回路接线是否牢固；检查热电偶补偿导线是否松动；检查屏蔽层接地是否正确，检查热电偶信号采集处理模块的电源对地电压是否稳定，尝试将热电偶的屏蔽层断开接地使其对地浮空，若此时显示值稳定，则可能是屏蔽层接地电压浮动或者热电偶信号采集处理单元的供电电源对地电压频繁波动引起；若以上均无异常，可能热电偶内部断线或故障，可尝试更换新热电偶。
4结论
通过本文对热电偶原理介绍，我们可以将热电偶看做是一種差分温度测量原件，其将工作端两端温度差转化为电信号输出，热电偶输出的电压与其两端的温度差是一一对应的函数关系。在采集处理热电偶信号时必须建立一个参考点，本文列举了常见的3种参考点建立方式并总结了常见热电偶故障现象，根据笔者经验总结出了热电偶故障排查的方向，为检修工作中经常接触热电偶仪表的工程技术人员提供借鉴和解决问题的思路。
参考文献：
[1]维基百科.热电偶温度计的设计
[2]刘洋，吴双.热电偶温度传感器的研究与发展现状.2003.11
（作者单位：1.中国核电工程有限公司；
2.中国核电工程有限公司华东分公司）
【关键词】热电偶；热电势；赛贝克效应
引言
热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理基于赛贝克（Seeback）效应，即指在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象现象。常见工业热电偶通常采用2种不同材料的均质金属丝顶端焊接而成，当热电偶的两端处于不同的温度环境下，其2根金属丝之间会产生热电动势，不同材料的均质金属丝在不同的温度下产生的热电势不同，但热电势与热电偶两端温差之间始终保持严格的单值函数关系。用导线将上述由于两端温度不同而产生的微弱热电动势（mV级）引入测量装置内经过函数逆运算即可得到当前测点的温度。
1热电偶的主要特点及分度号
鉴于其工作原理，常见工业用热电偶由以下主要特点：结构简单、抗震、测量精度高（铂铑10-铂精度可达±0.25%t）、测温范围大（-270℃～2800℃）、热惯性小响应迅速、机械强度高，耐压性能好、使用寿命长等，因此标准化热电偶在工业生产活动中应用极其广泛，根据热电偶2个极的不同材质，通常将标准化热电偶分为S、B、E、K、R、J、T七种，工业生产中工程师综合考虑应用场合的测温范围、响应时间要求、热偶丝或护套管的抗化学腐蚀能力、成本、抗磨损或抗震要求等因素来选择适用型号的热电偶。
2.工业生产中热电偶信号的采集和处理
在工业生产过程中温度传感器通过感应温度参数输出电压、电流或者电阻信号由温度采集设备接收并转换处理，根据是否需要供电，可以将温度传感器分为有源和无源传感器两种。热电偶作为无源传感器、不需要额外工作电源即可将温度信号直接转换为热电势信号输出。
热电势信号为mV级的微弱电信号，其采集模块的信号采集原理通常基于平衡电桥技术和恒流源技术。平衡电桥技术比较经典，其缺点是体积大、速度漫、调校烦琐、稳定性差、抗干扰能力差；恒流源技术是比较先进的采集技术，速度快、稳定性高，抗干扰能力强。所以采用平衡电桥技术的采集模块一般体积较大，在强电磁干扰环境下采集数据波动大（抗干扰能力差）。
热电偶的热电势是热电偶工作端两端温度差值的函数，而不是热电偶冷端与工作端温度差值的函数。当热电偶其中一个工作端保持温度恒定且已知，则通过采集热电偶产生的热电势对照分度表或代入线性函数即可推算出另一端的实际温度。为了保持工作参考端的温度恒定，采用与热电偶热电性能相近的廉价材料做成的补偿导线将热电偶延长至恒温区域，实验室条件下通常将其延伸入冰桶中以保持参考端结点处于0℃。在实际工业生产过程中，若对热电偶测温精度要求不高，通常采用PT100热电阻测量室温代替冰桶作为热电偶的冷端补偿温度，即所谓冷端补偿。如果热电偶参考端所处的室温恒定近似恒定，测量温度精度要求不高的前提下，也可以采用手动输入当前室温的方式为热电偶进行冷端补偿。判断一个热电偶模块是否具自带冷端补偿功能，工程上最简单的方法是将采集模块的2个热电偶信号输入端子在线短接，如果此时显示终端温度值为室温，则该模块自带温度补偿功能。
在采集模块的信号输入端口的电路中通常采用差动输入方式，因该方式具有较强抑制共模干扰的能力。通过工业生产过程中的观察，笔者发现有些仪表在较复杂的环境下，尽管输入信号没有任何异常，但采集结果却异常得让我们无法理解，其实是共模干扰的问题。信号输入模块经过调理后即开始按照热电势信号与温度信号的函数关系转换，由于热电偶的电阻---温度是非线性的，在精度要求不高的情况下可以模拟线性化处理，但这种温度转换精度不高。另外可以采用多项式系数进行线性逼近，但其精度取决于修正逼近多项式的阶数，温度范围越宽，多项式阶数越高，计算处理时间也越长。当多项式阶数过高时，为了节省运算处理时间，通常采用的方式是分度表查表转换是先采集热电偶的热电势值，根据当前热电势的数值查对应型号的分度表，最后转换成温度信号，这种方法转换精度高，适合各种信号热电偶的非线性转换。
3.工业热电偶的常见故障以及原因分析
1）热电偶显示值比实际温度低
先查看热电偶信号处理模块是否与热电偶型号对应，若确认型号正确，将热电偶2个接线端子短接，查看示数是否变化，若无变化，则查看热电偶的接线端子是否锈蚀，检查温度补偿回路是否正常；若采用软件补偿，则查看软件设定的室温值是否正确。检查热电偶安装位置和深度，检查补偿导线材质是否与热电偶2个极材质对应，若以上均无异常，可能热电偶本身材料变质，可尝试更换新热电偶。
2）热电偶显示值比实际温度高
短接热电偶接线端子，检查补偿回路工作是否正常；检查补偿导线材质是否与热电偶2极对应；检查热电偶回路中是否有额外电势串扰，比如补偿导线与热电偶单极之间结点焊材是否满足要求，屏蔽层是否正确接地。若以上均无异常，可尝试更换热电偶后观察示数是否正常，若以上均无异常，可能热电偶本身材料变质，可尝试更换新热电偶。
3）热电偶显示值突增突减甚至超量程或显示坏点
检查热电偶以及补偿回路接线是否牢固；检查热电偶补偿导线是否松动；检查屏蔽层接地是否正确，检查热电偶信号采集处理模块的电源对地电压是否稳定，尝试将热电偶的屏蔽层断开接地使其对地浮空，若此时显示值稳定，则可能是屏蔽层接地电压浮动或者热电偶信号采集处理单元的供电电源对地电压频繁波动引起；若以上均无异常，可能热电偶内部断线或故障，可尝试更换新热电偶。
4结论
通过本文对热电偶原理介绍，我们可以将热电偶看做是一種差分温度测量原件，其将工作端两端温度差转化为电信号输出，热电偶输出的电压与其两端的温度差是一一对应的函数关系。在采集处理热电偶信号时必须建立一个参考点，本文列举了常见的3种参考点建立方式并总结了常见热电偶故障现象，根据笔者经验总结出了热电偶故障排查的方向，为检修工作中经常接触热电偶仪表的工程技术人员提供借鉴和解决问题的思路。
参考文献：
[1]维基百科.热电偶温度计的设计
[2]刘洋，吴双.热电偶温度传感器的研究与发展现状.2003.11
（作者单位：1.中国核电工程有限公司；
2.中国核电工程有限公司华东分公司）