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及其特點。重點介紹了進行安規測試時，熱電偶的使用方法及其注意事項，日常使用的難點、常見誤差和處理方法等內容，并探討這些問題對最終的測量結果的影響。
引言
　　在家用電器中，帶發熱元件的器具并不少見，在日常生活和新聞報道中，因電器老化、短路、發熱等原因發生火災的事故也總有聽聞。為防止器具表面溫度過高燙傷用戶或導致著火、絕緣失效和觸電等危險，國標CB4706對電器的發熱有相關要求。因此在進行家電產品的認證評審時，為了考核器具在正常工作或非正常條件下產品表面或其內部的溫度，要使用熱電偶進行溫升試驗，熱電偶作為一種基本的測溫元件，將直接影響測試結果，其精度至關重要。
1定義
　　目前，在進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。在線性度、靈敏度等方面方面都具備較好的特性，且價格便宜，適合實際工程應用要求。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，當兩個接合點處于不同溫度T和T0時，在回路中就會產生電動勢，這種現象稱為熱電效應。熱電偶則利用熱電效應進行溫度測量。其中，直接用作測量介質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，測量儀表便能測出被測介質的溫度口。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、熱電偶兩端的溫度有關，而與熱電極的長度、直徑無關門。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，需要滿足:檢查熱電偶接頭是可靠連接;用萬用表測試熱電偶電阻來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。如果電阻值過大則需要重新處理熱電偶接頭，熱電偶電阻過大，采集溫度不正確。
3.2熱電偶焊接
　　熱電偶焊點焊接質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尺寸盡量小、焊點保持光滑且無損傷。
　　進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，在實際的熱電偶焊接中，熱電偶焊接點處于絕緣層之間的距離為1.5mm，當熱電偶導線存在外絕緣時，焊接點距離外絕緣為15mm，焊接完成后，需要按照要求進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
　　根據國家家電產品安全要求相關標準規定，對于產品溫度和溫升測試的位置進行了明確要求。因此在實際測試中，熱電偶布置的部件和位置是有明確要求。但是在確定每個部件的熱電偶測量點時，需要綜合考慮產品和部件所處環境的熱交換方式、發熱源所處位置，部件發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品溫升前，通常使用紅外成像儀等設備，測量整體部件和產品的溫度場，分析其溫度分布規律，最終根據分析結果進行熱電偶測量點的選擇。
　　使用高溫膠紙布點時需要注意:盡量使用一層高溫.膠紙粘貼，面積不能過大，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促進劑)布點時需要注意: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促進劑滴到瞬干膠上。此時瞬干膠將迅速凝固，熱電偶被固定在元件表面，AB膠水高溫容易變質，大大降低粘著力。100℃以上部件不推薦使用。
 
4焊點與絕緣層距離試驗與分析
　　在IECEEOD-5012中，提到熱電偶的焊點要求，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。
　　焊點與絕緣層的距離，是否會對熱電偶的測量產生影響，因此設計了一組試驗進行探討。
4.1試驗條件
　　基于控制單一變量,減少引起實驗誤差因素的原則，選用同一批次，在外觀和尺寸上一致的熱電偶開展試驗測試和分析研究將熱電偶進行處理，其中3根熱電偶焊點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，使熱電偶與補償線的接觸點距離絕緣層1.5mm。
　　為保證四根熱電偶同時測得的溫度一致，同時為了方便設計溫度梯度進行不同溫度下的試驗探討焊點與絕緣層的距離是否會對熱電偶的測量產生影響，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，這樣能保證所有熱電偶同時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，等所有熱電偶線讀數穩定且不再波動時，讀取壺內水的溫度，其所有溫度如表1所示。
4.3試驗結果及問題分析
　　試驗數據如表1所示，結果顯示焊點與絕緣層的距離不會對熱電偶的測量產生影響，且使用扭結的方式測量的溫度與通過電焊方式測量的溫度無差異。
　　為什么CTL-OP108、ECEEOD--5012中提到焊點處距離絕緣層為1.5mm?焊點處距離絕緣層為1.5mm僅為標準要求，經查閱IECEEOD-5012無焊點處距離絕緣層為1.5mm的理由說明。
　　如果不影響測量數據，那么焊點處與絕緣層的距離是否可以是任意數值?不可以，如果焊點離絕緣層的距離過大，布置完熱電偶，在移動器具或器具工作時,使熱電偶受力，可能導致熱電偶露出部分形成新的接觸點，使焊點失效無法測量被測點的溫度，影響試驗準確性。
　　熱電偶通過扭擰形成接觸點測溫與通過電焊測溫無差異，是否能直接扭擰形成接觸點測溫?不可以，熱電偶測量的溫度，為距離絕緣層最近接觸點的溫度。通過扭擰形成接觸點測溫，無法判斷接觸點的具體位置，無法準確的測量被測點的真實溫度，將影響試驗正確性。
5測量的難點
　　熱電偶使用電焊機進行焊點時，難以保證導線焊點處距離絕緣層為1.5mm，或有外絕緣，焊點離外絕緣的距離為15mm的要求。使用AB膠水(406瞬干膠和7452促進劑)進行熱電偶的固定時，難以保證熱電偶的焊點緊貼被測點沒有間隙且不能被膠水覆蓋的要求。
　　對于發熱量大(超過100℃)的小型元器件，沒有合適的方式固定熱電偶。因為AB膠水高溫容易變質,導致熱電偶脫落;使用高溫膠紙，不方便在小型元器件上進行固定，且會影響元件本身散熱。兩者皆會影響實驗結果的正確性。
 
　　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，熱電偶的焊接點安裝后朝上的一面懸空5mm。對元器件等，無法使.用測溫槍尋找最熱點的部件，無法直觀得出不同元器件的最高溫度點，導致可能測得的數據非該元器件的最高溫度。
6常見誤差和處理方法
　　熱電偶測量端不規范，如測量端過長、被氧化或沒有進行焊接處理，會影響測得的實驗數據的準確性。如果沒有進行焊接處理，熱電偶和補償線脫離后，會導致熱電偶無法測量溫度。在熱電偶使用前，需要進行視檢，視檢合格后按照規定焊接(即熱電偶焊好后其導線焊點處距離絕緣層為1.5mm，如果有外絕緣，焊點離外絕緣的距離為15mm)，再使用萬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，會導致顯示儀表指示值偏低。在熱電偶在使用時，需要清理干凈。使用熱電偶箱進行數據傳輸時，注意連接時連接柱處不能有水跡或潮濕，要干燥后方可連接通電。
　　熱電偶布點不當引起的誤差，會導致無法反映被測部件的最高溫升數值及最大溫度，導致測試結果與實際發熱情況之間存在差異。因此要求在布置熱電偶時，需要將熱電偶按照要求粘合在被測部件和產品上。
　　使用AB膠水固定熱電偶，如果熱電偶的焊點被膠水覆蓋，則會影響測得數據的準確性。
　　因此在使用AB膠水固定熱電偶，固定點盡可能遠離熱電偶的測溫點。
　　熱電偶電極老化時，會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
　　綜上所述，熱電偶的使用并非將兩根導線擰一塊貼上去那么簡單，如果使用方式不當會影響熱電偶的可靠性和準確性，產生較大測量誤差，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、固定等各個環節下功夫。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，對熱電偶關鍵參數進行定.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。