熱電偶在家電測試中的使用分析

摘要:介紹了熱電偶的工作原理、電器安全試驗中使用的熱電偶的種類(lèi)及其特點(diǎn)。重點(diǎn)介紹了進(jìn)行安規測試時(shí)，熱電偶的使用方法及其注意事項，日常使用的難點(diǎn)、常見(jiàn)誤差和處理方法等內容，并探討這些問(wèn)題對最終的測量結果的影響。
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道中，因電器老化、短路、發(fā)熱等原因發(fā)生火災的事故也總有聽(tīng)聞。為防止器具表面溫度過(guò)高燙傷用戶(hù)或導致著(zhù)火、絕緣失效和觸電等危險，國標CB4706對電器的發(fā)熱有相關(guān)要求。因此在進(jìn)行家電產(chǎn)品的認證評審時(shí)，為了考核器具在正常工作或非正常條件下產(chǎn)品表面或其內部的溫度，要使用熱電偶進(jìn)行溫升試驗，熱電偶作為一種基本的測溫元件，將直接影響測試結果，其精度至關(guān)重要。
1定義
　　目前，在進(jìn)行溫度測量的試驗測試中，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(lèi)和使用條件的熱電偶，其中安規測試主要使用的熱電偶為T型熱電偶。熱電偶并不直接測量溫度，而是利用塞貝克效應(Seebeckeffect)，用所產(chǎn)生的熱電勢測量溫度"。
　　T型熱電偶，是一種最佳的測量低溫的廉金屬熱電偶，它的正極(TP)是純銅，負極(TN)為銅鎳合金，直徑為0.3mm。在線(xiàn)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)際工程應用要求。但由于其正級為純銅，存在抗氧化能力差的缺陷，導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體或半導體兩端組成的閉合回路，當兩個(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，這種現象稱(chēng)為熱電效應。熱電偶則利用熱電效應進(jìn)行溫度測量。其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做熱端，另一端叫做冷端。當熱端與冷端有溫差時(shí)，測量?jì)x表便能測出被測介質(zhì)的溫度口。熱電偶的熱電勢隨溫度的升高而增大，其熱電.勢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(cháng)度、直徑無(wú)關(guān)門(mén)。熱電偶工作原理如圖1所示。
3使用方法及注意事項分析
3.1熱電偶檢查
　　檢查熱電偶外層是否完好，需要滿(mǎn)足:檢查熱電偶外層絕緣皮是否有破損或劃破現象，需要用絕緣膠帶纏上，做好絕緣防護，熱電偶破損影響測試結果;禁止使用有駁接現象的熱電偶，駁接熱電偶采集溫度不穩定。
　　檢查熱電偶接頭是否完好，需要滿(mǎn)足:檢查熱電偶接頭是可靠連接;用萬(wàn)用表測試熱電偶電阻來(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)量是影響溫度測量結果的正確性的因素之一。為了保證測試的準確性，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，當熱電偶導線(xiàn)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，在常溫(25℃)下，熱電偶兩端電阻約為7Ω/m，熱電偶阻值需要滿(mǎn)足要求，才能保證測試結果的正確性。
3.3熱電偶布置
　　根據國家家電產(chǎn)品安全要求相關(guān)標準規定，對于產(chǎn)品溫度和溫升測試的位置進(jìn)行了明確要求。因此在實(shí)際測試中，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量產(chǎn)品溫升前，通常使用紅外成像儀等設備，測量整體部件和產(chǎn)品的溫度場(chǎng)，分析其溫度分布規律，最終根據分析結果進(jìn)行熱電偶測量點(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。在測量端不遠處采用其它方式固定熱電偶，防止外力拉扯。熱電偶接頭應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(zhù)力。100℃以上部件不推薦使用。
 
4焊點(diǎn)與絕緣層距離試驗與分析
　　在IECEEOD-5012中，提到熱電偶的焊點(diǎn)要求，內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 )對熱電偶的測量產(chǎn)生影響，因此設計了一組試驗進(jìn)行探討。
4.1試驗條件
　　基于控制單一變量,減少引起實(shí)驗誤差因素的原則，選用同一批次，在外觀(guān)和尺寸上一致的熱電偶開(kāi)展試驗測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，使熱電偶與補償線(xiàn)的接觸點(diǎn)距離絕緣層1.5mm。
　　為保證四根熱電偶同時(shí)測得的溫度一致，同時(shí)為了方便設計溫度梯度進(jìn)行不同溫度下的試驗探討焊點(diǎn)與絕緣層的距離是否會(huì )對熱電偶的測量產(chǎn)生影響，因此使用可選加熱溫度的水壺為試驗容器，用水作為待測物質(zhì)，這樣能保證所有熱電偶同時(shí)測得的溫度為同一溫度。
4.2試驗數據
本次溫升數據分別采集可調溫電水壺在加熱40℃、60℃、80℃、100℃溫度下，等所有熱電偶線(xiàn)讀數穩定且不再波動(dòng)時(shí)，讀取壺內水的溫度，其所有溫度如表1所示。
4.3試驗結果及問(wèn)題分析
　　試驗數據如表1所示，結果顯示焊點(diǎn)與絕緣層的距離不會(huì )對熱電偶的測量產(chǎn)生影響，且使用扭結的方式測量的溫度與通過(guò)電焊方式測量的溫度無(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僅為標準要求，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。
　　如果不影響測量數據，那么焊點(diǎn)處與絕緣層的距離是否可以是任意數值?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)法測量被測點(diǎn)的溫度，影響試驗準確性。
　　熱電偶通過(guò)扭擰形成接觸點(diǎn)測溫與通過(guò)電焊測溫無(wú)差異，是否能直接扭擰形成接觸點(diǎn)測溫?不可以，熱電偶測量的溫度，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)測溫，無(wú)法判斷接觸點(diǎn)的具體位置，無(wú)法準確的測量被測點(diǎn)的真實(shí)溫度，將影響試驗正確性。
5測量的難點(diǎn)
　　熱電偶使用電焊機進(jìn)行焊點(diǎn)時(shí)，難以保證導線(xiàn)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)緊貼被測點(diǎn)沒(méi)有間隙且不能被膠水覆蓋的要求。
　　對于發(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。因為AB膠水高溫容易變質(zhì),導致熱電偶脫落;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)驗結果的正確性。
 
　　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。對元器件等，無(wú)法使.用測溫槍尋找最熱點(diǎn)的部件，無(wú)法直觀(guān)得出不同元器件的最高溫度點(diǎn)，導致可能測得的數據非該元器件的最高溫度。
6常見(jiàn)誤差和處理方法
　　熱電偶測量端不規范，如測量端過(guò)長(cháng)、被氧化或沒(méi)有進(jìn)行焊接處理，會(huì )影響測得的實(shí)驗數據的準確性。如果沒(méi)有進(jìn)行焊接處理，熱電偶和補償線(xiàn)脫離后，會(huì )導致熱電偶無(wú)法測量溫度。在熱電偶使用前，需要進(jìn)行視檢，視檢合格后按照規定焊接(即熱電偶焊好后其導線(xiàn)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)行數據傳輸時(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)不當引起的誤差，會(huì )導致無(wú)法反映被測部件的最高溫升數值及最大溫度，導致測試結果與實(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 )影響測得數據的準確性。
　　因此在使用AB膠水固定熱電偶，固定點(diǎn)盡可能遠離熱電偶的測溫點(diǎn)。
　　熱電偶電極老化時(shí)，會(huì )影響儀器顯示數值偏低。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。若老化現象嚴重，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線(xiàn)擰一塊貼上去那么簡(jiǎn)單，如果使用方式不當會(huì )影響熱電偶的可靠性和準確性，產(chǎn)生較大測量誤差，影響最終的測試結果。因此使用者必須從熱電偶的檢查、焊接、固定等各個(gè)環(huán)節下功夫。正確的使用和管理熱電偶，按照標準在熱電偶測試前進(jìn)行對應阻值和完整性的檢測，在要求的檢定周期內，對熱電偶關(guān)鍵參數進(jìn)行定.期檢測，避免由于熱電偶本身的損壞導致的偏差影響最終的檢測結果。