热电偶在家电产品能效检测中的使用注意事项

杨玉斋 邵光达 陈剑 张少君

（中国标准化研究院 北京 100088）

1 前言

在家用电器能效检测领域里（以下简称能效检测）涉及到温度参数的测量，其中有一部分产品通常使用的测量装置是热电偶，例如电冰箱耗电量、热水器24小时固有系数、电饭锅热效率、微波炉微波功能及烧烤功能等能效测试项目。热电偶测量温度的主要优点为：测量范围广，性能稳定，结构简单，热惯性小，信号可以远距离传送和多点测量等优点，便于实现集中检测和控制。尽管热电偶测量温度具有上述描述的很多优点，但是如果热电偶安装或使用不当仍然会出现各种各样的问题，影响最终的测试结果。因此在上述能效检测中正确的使用热电偶是其重要的一个环节，下面通过介绍热电偶的工作原理、热电偶种类和相应特点、以及热电偶使用过程中出现的问题和对检测结果的影响，使热电偶使用者能够了解热电偶的有关基本知识，并正确的使用和管理热电偶，避免热电偶不当使用影响到最终的检测结果。

2 热电偶的简单工作原理

最简单的热电偶测量回路由两种不同金属或合金A、B组成，测量线路见图1所示，A、B称为热电极，它们的一端通常焊接在一起形成接点1，成为测量点（工作端或热端），另一端接点2称为参考端（自由端或冷端）。测温时，将热电偶的测量端置于被测温场中，其参考端恒定在某一温度下，然后通过连接导线与测量仪器相连。由于热电偶两端所处的温度不同，在热电偶回路中就有电动势产生。用测量仪表测的电动势的数值后，便可以间接得到相应的温度或者直接由测量仪表指示出温度。

3 能效检测中常用到的热电偶种类和其特点

家用电器能效检测中通常使用K型（镍铬-镍硅）、T型（铜-康铜）和J型（铁-铜镍）热电偶，其中T型热电偶最为常用，下面分别介绍具体的使用场所和特点。

K型热电偶是一种应用十分广泛的高温廉价金属热电偶，测温范围为-50℃～1300℃，这种热电偶具有较好的抗氧化性能，可以在氧化性气氛或空气中长期使用，在真空及惰性气体中仅能短期使用。在500℃以上，不宜在还原性气氛以及硫、硫化物的气氛中使用。K型热电偶不足之处是稳定性差，如果长期在高温下使用，由于合金中溶质元素的择优氧化会使热电特性不稳定；大约在250℃～550℃范围内，由于存在短短有序结构，热电势出现与加热程序有关的不规则变化，及升温检定与降温检定结果不一致；在150℃-200℃内，K型热电偶负极容易发生极性转变。上述这些原因均导致热电势不稳定。

图1 热电偶的测温线路

图2

图3

T型热电偶是一种准确度高的廉金属热电偶，所用的铜和康铜材料都容易提纯，复制性好，铜纯度高，无应力。T型热电偶不足之处是铜容易被氧化，所以不得在超过350℃的氧化性气氛中使用。

J型热电偶的一个重要优点可以在氧化性、惰性气氛、真空及还原性气氛中使用，测温范围为-40℃～+750℃，J型热电偶的缺点是在湿气中使用容易生锈，低于0℃可能出现脆化现象，它的准确度和均匀性不如T型热电偶。

4 热电偶在使用过程中出现的问题和对检测结果的影响

4.1 热电偶在使用过程中出现的问题。

大多数使用者会误认为热电偶结构简单、使用简单，用一句话简单的概括为“热电偶两根线，接上就完事”,就是因为这样的错误理解使得使用者对热电偶的原理和使用的注意事项不了解，疏忽平时对热电偶的管理，使得热电偶在使用过程中经常出现下面列举的一些问题：

(1)热电偶测量端不规范，如测量端过长、被氧化或没有进行焊接处理。

(2)没有根据被测环境的温度选用合适的热电偶，如热电偶的外部绝缘材料超出了使用温度。

(3)在测量温度动态变化快的场合，使用了动态温差大的热电偶以及仪表。

注：当被测介质温度变化后，由于热电偶的热惯性和仪表的机械惯性，使测量仪表来不及立即指示出变化了的温度，由此引起的测量误差称为动态误差，也称为热响应时间。

(4)没有对热电偶的平常使用进行有效管理，新制作的热电偶没有进行检定和有效的确认，经常使用的热电偶没有相应的措施来验证其特性是否发生变化。

(5)在热电偶的测量回路中没有采取有效的防干扰的措施。

4.2 热电偶使用过程中出现的问题对检测结果的影响。

上述热电偶使用中出现的情况会不会对测量结果产生影响呢？下面通过具体的能效实验和相关分析来进行确认。

(1)通过热水器24小时固有能效系数试验来确认情况a(热电偶测量端过长)对测试结果是否有影响。

热水器24小时固有能效系数测试实验前需要将热电偶紧紧的贴在容器内胆外表面上测量水的温度，热电偶的布置的两种情况见图2。

图中圆的中心为需要测量的位置，图1(a)显示的热电偶测量端过长，图1(b)热电偶测量端规范，测量端紧贴在容器内胆外表面。实验过程中发现两种情况测试的结果有差异，温度相差超过2K，已经大大超出标准对于温度测量误差0.5K的要求。

注：GB 21519-2008 《储水式电热水器能效限定值及等级等级》标准要求测量温度用仪表其准确度在0.5K以内。

(2)通过微波炉烧烤能效测试来确认情况b(不能经受高温的热电偶却用到了高温场合)对测试结果是否有影响。

微波炉烧烤能效测试实验需要用热电偶测量腔体中心位置的温度，现分别在中心点布置了两种热电偶，一种热电偶（A热电偶）经确认表面材料的耐温不超过100℃，另一种热电偶(B热电偶) 经确认表面材料的耐温温度不超过250℃。给微波炉通电进行实验，前几次实验两者测试的温度还没有太大差异，随着实验次数增加，发现A热电偶的实验后表面的材料已经软化，最终两种热电偶测试的温度相差10℃左右，已经远远超出标准对于温度测量误差1℃的要求。

注：GB 24849-2010 《家用和类似用途微波炉能效限定值及能效等级》标准要求此项目温度测量使用的热电偶，线径不超过0.3mm，在0℃～100℃温度范围内准确度应为0.5℃，在100℃～300℃温度范围内准确度应为±1℃。

(3)仍然通过微波炉烧烤能效测试来确认情况c(在测量温度动态变化快的场合，使用了动态温差大的热电偶和仪表)对测试结果是否有影响。

使用两种不同的测量温度仪器来测量腔体中心位置的温度，分别为测量仪器A和测量仪器B，两者的动态特性不同，仪器A相比仪器B能够比较快得指示出变化后的温度。两者使用的热电偶种类相同，热电偶布置在微波炉腔体的中心位置。测试前腔体内温度平衡至环境温度，两种测试设备测的温度均为20℃，微波炉工作后，腔内的温度变化非常快，在5分钟内，从20℃能够上升至170℃左右，仪器A能够及时的指示出变化了的温度，仪器B测得温度有些滞后，5分钟时两者测试的温度相差7℃，已经远远超出标准对于温度测量误差1℃的要求。

(4)对于情况d（没有对热电偶的使用进行有效管理）是否对测试结果有影响可以运用热电偶遵循的均质导体定律来说明，如果热电偶丝是均质的，那么依据均质回路定则，测量结果与长度无关。然而，热电偶丝并非均质，尤其是廉价金属热电偶丝其均质性较差，又处于具有温度梯度的场合，那么其局部将产生热电动势，该电动势称为寄生电势。由寄生电势引起的误差称为不均质误差。 可见不同品牌和不同批次的的热电偶还是有差异的，而且热电偶将随其种类、直径、使用温度、气氛、时间的不同而变化劣化现象，是一个量变过程，对其定量很困难，如果没有对热电偶进行有效的管理有可能会造成热电偶不满足标准要求的现象。

(5)对于情况e（在热电偶的测量回路中没有采取有效的防干扰的措施）主要因为如果热电偶测量回路附近有大功率的电动机、变压器、强电流导线时，就会产生较强的交变磁场，在热电偶的测量回路中产生附件电动势，造成测量误差。而大部分家用电器都存在电磁干扰现象，例如电磁炉对热电偶测温系统的干扰就很厉害，曾经在实验中遇到过一种情况，在电磁炉不工作的时候，热电偶测温系统是正常的，当电磁炉工作的时候，热电偶测温系统出现异常现象。

5 热电偶的使用和管理建议

从以上方面可以看出热电偶的使用并不象开头提到的那样接上就完事那样简单，在使用过程中还是有很多方面需要注意，下面针对以上出现的情况分别给出正确使用与管理热电偶的建议：

(1)按照图3（a）、(b)、(c)所示及其要求对热电偶测量端进行处理。

首先将热电偶从末端剥开内部绝缘约1.5mm.,如有外部绝缘则从距末端15mm剥开，然后将两电极顶端并齐或绞成麻花状，绞成麻花状时缠绕的圈数不宜超过3圈，否则测量端就不是顶端而向上移动。然后进行焊接，常用的焊接方法有点焊和绞状点焊。

(2)测试前一定要确认热电偶绝缘层材料的使用温度，根据测试的温度选用合适的热电偶。绝缘材料种类很多，一般分为有机和无机绝缘两大类，下表1列举了一部分经用到的绝缘材料的使用温度。

(3)在测量温度动态变化快的场合，应选用符合要求的动态误差小的热电偶及仪表。

(4)应对热电偶进行日常管理，新购置的热电偶线应该有厂家提供的符合相关标准的证明，新制备的热电偶在投入使用前应进行检定/校准或有效确认，对使用中的热电偶应进行定期检定/校准和期间核查。期间核查可以利用0℃的冰水混合物和100℃的沸水作为标准温度进行。

(5)为避免干扰，测试用电源与热电偶的测温系统的供电电源尽量应隔离开，测温系统应安装相应的防干扰装置，避免电磁干扰影响到温度的测量。

6 结语

综上所述，热电偶的使用并不象开头提到的那样接上就完事那样简单，如果安装或使用不当仍然会出现各种各样的问题，影响最终的能效测试结果。因此使用者应该对热电偶的工作原理和热电偶种类和其特点有一定了解，正确的使用和管理热电偶，避免由于热电偶不当使用影响到最终的检测结果。

表1 热电偶绝缘材料的使用温度

[1]GB 21519-2008 《储水式电热水器能效限定值及等级等级》

[2]GB 24849-2010 《家用和类似用途微波炉能效限定值及能效等级》

[3]GB/T 8059系列标准

[4]CTL-OP108

[5]中国计量出版社 《温度计量》