熱電偶法測電氣產品表面溫升探討

摘要:溫升測試是電氣類產品通用檢驗項中的重要安全參數,其正確性對產品的品質和性能至關重要。很多標準對溫升的測量方法描述得不夠詳細,導致測量中會出現影響結果的偏差。在某次熱電偶法測電氣產品表面溫升的能力驗證中發現本實驗室測量數據偏低,需要找到影響溫升數據正確性的原因并糾正。通過使用質控樣品，對熱電偶的固定材料和測試環境進行了試驗對比與分析,找到溫升數據偏低的原因是熱電偶與被測表面接觸不良和測量環境中空調造成的空氣對流。使用高溫膠帶和控制測試環境中的空氣對流后,試驗數據取得了滿意的結果。此次結論有利于溫升測試能力的控制與優化。
0引言
　　隨著現代社會的經濟發展,人們的生活水平越來越好，電器產品琳瑯滿目，滿足人們各種需要。而電器產品通電時產生的熱量過高又無法及時散去會造成表面溫度過高，人體觸及時可能會產生燙傷危害;內部溫度過高會造成絕緣性能和機械防護性能的劣化，影響產品的功能與性能，嚴重時甚至會引起觸電和火災傷害。因此在產品的研發設計中,溫升試驗是檢驗與保證產品安全性的一個不可或缺的重要項目;在內部品質管理、外部認證抽查時，溫升也是電氣類產品通用檢驗項目中的重要安全參數。
　　目前很多標準對溫升的測量方法描述得不夠詳細,導致實驗中會出現很多主觀偏差,采用不同的測量方法會產生數據.上的偏差，進而影響產品的評價結果。基于溫度測量的正確性對產品的品質和性能是至關重要的，所以需要定期對該試驗進行檢驗與核查,保證測量數據的正確。熱電偶法測電氣產品表面溫升的能力驗證中出現溫升數據偏低的問題,因此本文對熱電偶的固定方法和測試環境進行對比分析，旨在找到影響表面溫升試驗數據正確性的原因并糾正。也希望本文的探討結果能給他人一些參考，避免同樣的問題，確保溫升測量數據的正確性。
1溫升試驗的要求
　　溫升試驗分為正常工作時的溫升和非正常工作的溫升。正常工作時的溫升模擬電氣產品在實際工作中會隨通電時間而持續升溫;非正常工作涉及短路、開路等各種故障，溫度上升會更加明顯。除了電機溫升推薦使用繞組法外，其他的溫升一般都推薦使用線徑不超過0.3mm的熱電偶進行測量,其布點位置的要求是對測量部位的溫度影響最小。熱電偶作為常用測溫元件,按IEC國際標準可分為B、E、J、K.R、S、T七種類型印。本文將選用目前用量最大的K型熱電偶進行電氣產品表面的溫度采集測量并進行數據分析，其主要特征是正負極分別是含10%鉻的鎳鉻合金和含3%硅的鎳硅合金，具有耐高溫、價格便宜的優勢。
2熱電偶的固定方式對溫度測量的影響
　　熱電偶的固定方法有夾持式、焊接式、磁吸式和粘貼式，其中粘貼式易于安裝,且不容易破壞產品本身的外觀與結構,是目前試驗室常用的固定方式。本文主要基于GB4706.1標準展開討論，其對使用熱電偶測量溫度時的固定方式沒有進行明確說明，故對實驗室現有的粘貼材料進行了測評與分析,目的是選擇最正確的固定方式。
2.1試驗方法
　　試驗樣品:熱電偶法溫升試驗質量控制品，中心測試點的溫升指定值:X=25.1K,標準偏差σ=1.70K.
　　試驗設備:線徑為0.3mm的K型熱電偶;
　　菊水型號為PCR4000w的穩壓電源;
　　溫升記錄儀
　　粘貼材料:選擇了試驗室常用的幾種,詳細信息如表1所示。
 
試驗條件:.
　　將樣品水平放置在測試角內的底部木板.上,樣品側面與測試角側壁平行并相距20cm,將熱電偶端部用粘貼材料固定在試驗樣品的表面中心。將樣品在工作電壓(220V)下連續通電3h;從通電2.5h后開始，每隔5分鐘記錄一次表面溫度與環境溫度,樣品指定點溫升=(樣品指定點溫度-環境溫度)K.
　　結果判定:Z=(x-X)/σ。
　　如，||≤2,為正常結果;2<|81<3,為警示結果;|Z|≥3,為超出控制結果。
　　式中:x-試驗室的測量溫升值;X-指示值;σ-標準偏差。
2.2數據結果與分析
 
　　從表2的試驗數據來看,單獨使用一種膠帶或膠水的結果雖然有點偏差，但是都是屬于在正常范圍內。可見只要粘性合格，選用何種粘貼方式都是可行的。膠帶的粘性決定了熱電偶端部與測試表面的接觸是否良好,未緊密固定時，中間的空氣間隙會影響導熱，導致溫度數據偏低。測試中還發現，用3M電氣絕緣膠帶和普通透明膠帶在測試中隨著溫度.上升會出現粘性變差、熱電偶測溫線與測試表面接觸不好的狀態，傳感器與被測物體松動的可能性較大甲。因此，測量溫升時不建議使用這兩種膠帶,更推薦耐高溫的膠帶和測溫膠水。
　　值得注意的是鋁箔膠帶，常見且粘性好，但是由于熱電偶的工作原理是兩種不同材料的導體或半導體兩端連接成回路，當參比端和感溫端產生溫差時，就會產生熱電效應，鋁箔屬于金屬介質,會影響回路中產生的電動勢和電流的傳輸，從而影響數據結果,故也不推薦使用。而膠水加膠帶這種方式會影響散熱性，導致實際測量值偏高，多層膠帶固定也同理，應盡量采用單層膠帶且減少覆蓋面積或者膠水固定，減少對散熱的影響。
3空氣對流對溫度測量的影響
　　溫升試驗對環境溫度的要求比較嚴格，GB4706.1-2005中的5.7條款明確指出，試驗在無強制對流空氣且環境溫度為20±5℃的場所進行，如有疑問要求環境溫度保持在23±2℃.一.般自然條件下的環境溫度是無法滿足的，那么就需要調溫設備進行控溫。對于溫度的控制是很容易做到的，設置空調溫度,然后配合溫濕度記錄儀或者溫度記錄儀都可以進監測。但是對于標準中另--個要求“無強制對流空氣”很難去監測，甚至在試驗時容易忽視。
　　空氣對流在產品設計中通常被應用在部件的降溫上,提高空氣對流能降低部件的溫度印。空調的工作原理是室內空氣不斷循環流動的過程，為為快速達到設定溫度,空調會加大風速，這些帶溫度的空氣對流到樣品表面時，測試點的散熱會加快,從而產生偏差。本試驗場所使用的空調為頂嵌式中央空調,測試時使用了空調制冷以達到環境溫度要求，溫升測試角位于兩個空調的中間，其中一個空調的風在未進行干預的情況下能直接吹到測試角，測試角的最大風速能達到0.8m/s.在這種情況下發現測量的溫升數據比標準值偏低可達到9K.關閉此空調后，表面溫度在3分鐘左右能上升5℃。由此可見，測試環境的空氣對流對表面的溫升測試試驗影響很大，內部的溫升有外殼的保護,相對影響較小。
4結論
　　熱電偶的固定方式對溫度測量有一定的影響，一部分源自固定材料本身的材質特性影響被測表面的散熱性，一部分源自熱電偶端部和被測表面的接觸是否良好，包括初次固定是否牢固,牢固度是否會隨著溫度和時間變差。測量數據偏低極有可能是熱電偶和被測表面接觸不良導致，雖然本文的試驗中各種膠帶的數據偏差不大，但是實際使用中熱電偶固定不牢固從測量表面脫落的情況也是有的，那時誤差會很大。所以推薦使用耐高溫的膠帶和測溫膠水，確保粘性不會隨著溫度的上升而劣化。造成溫升測量數據偏低的另一種原因就是測試環境中的空氣對流，實測對溫升的影響可達到9K.所以平時在選擇溫升測量環境的時候一定要注意“無強制對流空氣”。最后通過使用高溫膠帶和控制測試環境中的空氣對流，熱電偶法測電氣產品表面溫升的實驗取得了滿意的結果。今后將把本次探討的結果形成指導書進行內部宣貫，確保測量數據的正確性。