熱電阻測量誤差與集中供熱系統(tǒng)常見故障分析

　　熱電阻是中低溫區(qū)常用的一種溫度檢測器，因其具備測量精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)勢,已被當(dāng)作數(shù)字化溫度測量的主要工具,廣泛應(yīng)用于集中供熱系統(tǒng)中。目前,多數(shù)集中供熱企業(yè)換熱機組均將熱電阻作為數(shù)字化測溫工具。溫度數(shù)據(jù)是智能控制系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一,直接反映了供熱效果,熱電阻測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。
1熱電阻元件測溫原理
　　金屬導(dǎo)體的一般特性如下:當(dāng)溫度升高時,其自身電阻值也隨之升高,根據(jù)這一特性,可以依據(jù)測量金屬導(dǎo)體溫度的電阻值從而計算出所處環(huán)境的溫度值，一般可以用以下關(guān)系式表示。
 
　　式中:Rt為熱電阻在某一溫度時的點阻值;Rt0為溫度0℃時對應(yīng)電阻值;α為溫度系數(shù)。α值可由式(2)計算得出.
 
2熱電阻測量誤差與減小方式
2.1熱電阻測量誤差
(1)傳熱誤差。測量熱電阻溫度時,一般情況被測介質(zhì)只要與環(huán)境溫度存在熱量差，就會通過熱電阻與環(huán)境產(chǎn)生一定的熱量交換，從而引起測量誤差，被測介質(zhì)與環(huán)境溫度相差越大,誤差值就會隨之增大。
(2)焦耳熱誤差。測量熱電阻阻值時,要通過一定的電流，因此電阻就會產(chǎn)生熱量,熱電阻本身溫度升高會引起溫度測量的附加誤差，這就是焦耳熱誤差。一般情況下,這項誤差是很小的,約0.1℃,被測介質(zhì)溫度越低,焦耳熱造成的誤差也會越大。
(3)精度誤差。根據(jù)前文所述，可以通過測量熱電阻的阻值,運用公式計算得出某待測介質(zhì)的實時溫度。然而在實際生產(chǎn)運行中，熱電阻的電阻/溫度關(guān)系和標(biāo)準(zhǔn)的分度表存在一定的差值。相同精度等級下，隨著溫度升高,阻值誤差和溫度誤差都有所提升;相同溫度下精度等級越低,產(chǎn)生的誤差就越大。
(4)導(dǎo)線電阻誤差。由熱電阻測溫原理可知,單獨的熱電阻無法完成整個測溫過程，因此需要利用相應(yīng)的智能控制終端與之配套,以提供電壓源、測量電阻阻值和顯示計算溫度結(jié)果,這就需要使用導(dǎo)線將二者連接。熱電.阻正是通過測量電阻變化來計算溫度的精密儀器,其對電阻變化相對敏感,導(dǎo)線上的電阻也會參與溫度的計算之中。
　　由于在熱電阻的實際安裝使用過程中，集中控制器與熱電阻測量點一.般都會存在一定距離，因此在測量時會將熱電阻導(dǎo)線長度產(chǎn)生的電阻值計算在內(nèi)，這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,造成測量誤差。這種接線方法雖然很簡單,但由于導(dǎo)線存在電阻影響計量結(jié)果，這種接線方式將大大增加熱電阻的測量誤差，因此這種接線方式只適用于測量精度要求較低的場合。
2.2減小測量誤差的方式
　　測量誤差可以分為電阻自身因素產(chǎn)生的誤差和外部因素產(chǎn)生的誤差兩種。自身因素產(chǎn)生的測量誤差是熱電阻本身特質(zhì)屬性引起的，無法通過改變外界條件而大幅降低，而外部因素產(chǎn)生的測量誤差則可以通過一些補償措施、運用技術(shù)手段將誤差降至最低，甚至完全消除。
(1)減小自身因素產(chǎn)生的誤差。①焦耳熱誤差其大小因流過的電流大小而不同,這個誤差無法消除,只能限制溫升的數(shù)值。為了減小焦耳熱誤差,在工業(yè)上使用金屬熱電阻,一般要求限制電流小于6mA(一般取3mA),對于導(dǎo)熱性能較差的半導(dǎo)體電阻和碳電阻溫度計，限制電流在微安數(shù)量級。與此同時,通過選擇如鉑金屬等高品質(zhì)的金屬材料作為熱電阻的制作原料，即可減小熱電阻本身產(chǎn)生的焦耳熱,從而減小焦耳熱誤差。②在實際使用熱電阻的過程中,可以根據(jù)不同的測溫環(huán)境狀況、精度等級要求以及成本控制需求，根據(jù)實際情況選擇不同精度等級的熱電阻。精度等級越高的熱電阻其測溫結(jié)果就越精確,而其對使用環(huán)境的要求以及購置成本也就相對越高，在條件允許的前提下選擇高精度等級的熱電阻，可以降低精度誤差對測溫結(jié)果產(chǎn)生的影響。
(2)減小外部因素產(chǎn)生的誤差。①測點的安裝布局和溫度測量方式的選擇會較大程度上影響傳熱誤差，為了降低傳熱誤差造成的影響，可以通過-.些措施以減少與周圍環(huán)境之間的熱量傳遞。比如,可以在安裝有熱電阻的管道上加強管壁保溫措施,減小管壁像外界散熱量。②在使用傳統(tǒng)的二線制接線方法測量熱電阻的阻值時，由于導(dǎo)線電阻存在，無法避免地會引起比較大的導(dǎo)線電阻誤差。除通過改變導(dǎo)線材質(zhì)和長度來減小導(dǎo)線電阻誤差之外.,還可以采用改變外部接線,使用技術(shù)手段和等效計算對導(dǎo)線電阻進(jìn)行補償和抵消的方法來降低導(dǎo)線電阻誤差。
　　第一,三線制接線法。在一個熱電阻元件的兩顆引出線中,選擇一根引出線連接-顆導(dǎo)線,另一根引出線連接兩顆導(dǎo)線，一共引出三顆導(dǎo)線的接線方法稱為三線制接法,這種方法是-般采用電橋進(jìn)行測量。測量過程中,將一顆導(dǎo)線連接至電橋的電源點，另外兩根導(dǎo)線連接至電橋的兩個橋臂上，當(dāng)三顆導(dǎo)線電阻值一致時就可以對導(dǎo)線線路自身的電阻值忽略不計，從而消除導(dǎo)線電阻造成的測量誤差。
 
　　由式(3)可以看出,三線制接法中,導(dǎo)線電阻的變化不會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。但是三線制接法可以消除導(dǎo)線電阻影響的前提是,三條導(dǎo)線的電阻完全相等,否則不可能完全消除導(dǎo)線對電阻的影響。但是分析可見,采用三線制接法會顯著減小導(dǎo)線電阻造成的誤差。
　　第二,四線制接線法。在熱電阻元件的兩顆引出線上分別連接兩顆導(dǎo)線，一共引出四顆導(dǎo)線的接線方法稱為四線制接法。引出的四顆導(dǎo)線其中兩顆為熱電阻提供電流,把測量電阻值轉(zhuǎn)換為測量電壓值,再通過另兩顆引出線把測量的電壓信號引至二次儀表，這種接線方法可以將引出導(dǎo)線的電阻影響幾乎完全消除。
　　四線制接線法是熱電阻測溫理想的接線方式，熱電阻的電阻值Rt可由式(4)表示:
 
　　由此可知,四線制接線法測量電阻時,計算過程與導(dǎo)線電阻無任何關(guān)系，因此這種接線方式不需要考慮導(dǎo)線長度及導(dǎo)線長度和電阻是否相等，四線制接線法不受連接導(dǎo)線的電阻影響，可以完全消除導(dǎo)線電阻引起的測量誤差。
3集中供熱系統(tǒng)常見故障
3.1顯示儀表指示值比實際值低
　　根據(jù)電阻與溫度的線性關(guān)系可以看出,顯示值比實際值低是因為電阻值比實際應(yīng)測得的電阻值偏小,那么可以根據(jù)這個原理查找造成電阻減小的原因來排除故障。
(1)熱電阻元件在被測介質(zhì)中的插深不足,或沒有完全浸沒在被測介質(zhì)中。針對此類問題可以根據(jù)被測介質(zhì)的實際情況,選擇使用合適尾長的熱電阻器件,安裝時保證熱電阻與被測介質(zhì)充分接觸。另外,應(yīng)及時清理保護(hù)套管內(nèi)的污物,防止對熱電阻測量電路造成影響,減小測量電阻值。
(2)保護(hù)套管內(nèi)積水。在換熱站中經(jīng)常由于管道施工,導(dǎo)致管道內(nèi)存水流出,進(jìn)入熱電阻套管內(nèi)。發(fā)現(xiàn)問題時，應(yīng)及時清理套管內(nèi)的積水并通過措施使其套管內(nèi)完全干燥。
(3)熱電阻引線間短路或?qū)Φ囟搪贰．?dāng)發(fā)現(xiàn)熱電阻引線間短路或?qū)Φ囟搪窌r,可以使用萬用表檢查測量,從而找到短路或接地部位并加以消除。如發(fā)現(xiàn)短路部分在熱電阻內(nèi)部，則應(yīng)更換熱電阻。
3.2測量值比實際值偏大
　　同樣地,根據(jù)熱電阻測溫原理,顯示值比實際值偏大是因為測量電阻值比實際熱電阻值偏大，那么就可以推斷其偏大原因并予以修正。
(1)熱電阻引出線發(fā)生斷路。如經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)引出線至測量儀表之間發(fā)生斷路,可以用萬用表檢查,找出斷路部位后,按照規(guī)范的接線方法連接固定,如經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)為熱電阻內(nèi)部斷路,應(yīng)更換熱電阻。
(2)熱電阻虛接。熱電阻接線端子虛接或接觸不良時應(yīng)檢查接線端子及導(dǎo)線,去除氧化部分,同時緊固接線端子,防止故障再次發(fā)生。
3.3顯示儀表指示負(fù)值或示值不穩(wěn)
(1)熱電阻測量回路接線錯誤。處理方法為使用萬用表檢查熱電阻回路,恢復(fù)正確接線順序。
(2)熱電阻測量回路有干擾。集中供熱系統(tǒng)中電氣系統(tǒng)眾多,包括各種信號傳輸、采集設(shè)備以及高壓設(shè)備,尤其是變頻器,將對周邊信號傳輸造成極大的干擾,因此也會對熱電阻的測量造成干擾。當(dāng)發(fā)生信號干擾時,可以通過熱電阻測量回路使用屏蔽電纜，并將電纜屏蔽層可靠接地，并適當(dāng)增大與動力電纜之前的距離或增強隔離等.措施。
4結(jié)束語
　　在選擇熱電阻時,要考慮測量的精度要求、使用環(huán)境等因素,根據(jù)實際需要選擇合適的熱電阻元件、精度等級及熱電阻尺寸型號等。在達(dá)到測量要求的基礎(chǔ)上盡可能降低購置成本。在接線方式上,三線制具有測量誤差小、接線工作量、線纜成本較四線制接線法成本低等優(yōu)勢,因此在工業(yè)上一般采用三線制的接線方法。隨著科技的發(fā)展,熱電阻的測量精度將逐步提高,減小測量誤差的技術(shù)也將更豐富。此外,在安裝和使用熱電阻的過程中，要按照規(guī)程操作,盡量避免故障和數(shù)據(jù)錯誤。