摘要：在工业生产和科学研究的温度测量中热电偶是使用最广泛的一种测温仪表，测量范围大、性能稳定、安装使用方便是热电偶的主要特点，但热电偶输出与温度之间的非线性特性给应用带来诸多不便，虽然采用了一些线性化的方法，如折线法分段线性化修正热电偶的非线性，但测量误差仍然可观。从引起干扰的来源进行分析，介绍了热电偶测量过程中串模干扰和共模干扰的形成原因，并提出了相应的防范措施。
关键词：热电偶；抗干扰；串模干扰；共模干扰
1 热电偶原理
热电偶测温基本原理是将 2 种不同材料的导体或半导体焊接起来，构成一个闭合回路。由于 2 种不同金属所携带的电子数不同，当 2 个导体的 2 个接点之间存在温差时，就会发生高电位向低电位放电现象，因而在回路中形成电流，温度差越大，电流越大，这种现象称为热电效应，也叫塞贝克效应。
2热电偶测量温度的常见问题
热电偶的绝大多数问题都出现在温度梯度区域内，温度梯度常常是不规则的，在整个回路中也不一定能保持一个方向，同时，其大小和位置也可能发生急剧变化。偶丝必须在其整个长度范围内保持均匀、可控制的特性，这样才能获得有用的电势信号。新的高质量的热电偶丝，很少由于不均匀性而出现问题，但是，时效或沾污等可以改变使用部分的热电均匀性。一旦这些受影响的偶丝部分暴露在温度梯度场中，它们不再产生所希望的热电动势，而产生远远偏离标准值的热电动势值。因偶丝遭受严重污染或发生不可逆的时效，从而使其热电特性与其原始的标准分度特性严重偏离所引起的蜕变误差，或者称之为漂移。引起这种误差的原因很多，如：在一个或两个热电极中同时发生与绝缘材料及其中的杂质间的化学反应，或与环境介质反应；在合金元素选择性优先蒸发，如 K 分度和 E 分度的热电偶在高温真空中使用时发生铬损失；由于热电偶合金的原子遭受中子辐射而引起核膻变。漂移的速率一般是随温度增高而迅速增大，热电偶丝的直径越细漂移速率越大。
3 影响热电偶测量的主要干扰源
热电偶的热电势显示仪表的输入信号，仪表根据该信号的大小指出相应的温度值。但是，常常由于电磁场、漏电流或其他因素的影响，在显示仪表输入端出现一些附加信号，干扰显示仪表的正常工作，称它为干扰信号。干扰给显示仪表带来的影响有：（1）显示值误差增大和不稳定；（2）灵敏度下降，不灵敏区（回差）增大；（3）显示值在给定点附近摆动等。为了让热电偶能在显示仪表上准确地显示出来，必须采取适当措施提高显示仪表的抗干扰能力，以消除干扰的影响。干扰可归纳为两大类，即串模干扰和共模干扰。串模干扰：是由于种种外界原因，在显示仪表输入端之间出现的交流信号干扰；这种干扰又称为端间干扰或横向干扰。
串模干扰的主要来源：（1）来源于交变磁场。在大功率变压器、交流电动机、强电流导线等的周围都有较强的交变磁场。如果热电偶与显示仪表之间的连接导线（补偿导线）通过交变磁场附近，就会受到这些交变磁场的作用而在输入回路中感应出交流电动势；（2）由于热电偶焊在带电体上引进干扰。在一些特殊要求的测温场合下，需要将热电偶的热端焊在用电流加热的金属试样表面上，由于在金属试样的各点上存在电位差，因而引进了串模干扰电压。共模干扰：由于某种原因，仪表任一输入端与地之间产生交流的干扰信号，称为共模干扰，又叫地干扰或纵向干扰。
一般情况下，对地干扰电压在几伏到几十伏的范围内。共模干扰的主要来源：（1）最常见的是在测量高温时引入的干扰。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆一般耐火材料在常温下的绝缘性能很好，在高温下绝缘电阻大大下降。热电偶的瓷套管等绝缘管在高温下的绝缘性能同样也大大下降。因而在高温下，电炉的电源电流通过耐火砖、热电偶套管、热电偶的绝缘管等泄漏到热电偶丝上，使热电偶与地之间产生干扰电压；（2）不同的地电位引入干扰。大地各个不同点之间往往存在电位差，尤其在大功率设备附近。当这些设备的绝缘性能较差时，地电位差更大。而仪表在使用时，它的输入回路存在 2 个或多个接地点（或通过大电容接地），这样就会把不同接地点之间的电位差引入仪表，产生干扰电流，此电流通过 R 转化为串模干扰，影响仪表的正常工作；（3）高压电场的干扰。如果补偿导线靠近高压电网平行敷设，则在高压电场的作用下，将有干扰电流通过高压导线和补偿导线之间的分布电容和仪表输入端的接地电容（或分布电容）入地，这样，干扰电流在导线上的电压降便成为串模干扰。由此可见，共模干扰电压通过一定的途径泄漏到地，形成泄漏电流，可使共模干扰电压转换成串模干扰电压。因此除尽量防止共模干扰电压的引入外，抗共模干扰的有效措施就是截断干扰电流的泄漏途径，或尽量减小它转化为串模干扰电压的数值。
4 防范热电偶干扰的措施
抗串模干扰的措施：串模干扰电压通常是不大的，但由于它是与被测信号相串联的，其有害作用往往不大容易消除，尤其是在输入端产生的干扰电压，更无法消除。针对串模干扰产生的原因，可采取一些有效措施以防止外界的干扰进入测量回路或排除干扰的产生。一般可采用如下方法：（1）热电偶连接导线外面加屏蔽层，以防止电磁场和静电场的影响。把连接导线传入铁管内，使磁力线沿着磁阻很小的铁管壁通过，而很少穿过铁管内的连接导线。如果把热电偶连接导线绞合起来穿入铁管中，效果更好，因为外界磁场感应的干扰电势，除与磁场强度有关外，还与磁通穿过的环形线路面积有关。导线绞合后，通过的磁通量小了，干扰就会减小。而且，导线绞合后，磁通在导线中感生的电势方向反复变化，可互相抵消；（2）热电偶的连接导线应远离强电磁场，也不要离动力线太近，更不允许把连接导线与动力线平行地放在一起或穿在同一根铁管内。信号线、电源线亦不应由同一孔进入仪表内。抗共模干扰的措施：（1）热电偶“悬空”。安装时使热电偶不与电炉的耐火砖接触。这种方法可以切断漏电电流流入的途径，抗干扰效果很好。考虑到热电偶套管在高温下会发生弯曲变形，因此“悬空”安装仅适用于垂直安装的热电偶。另外，此方法使热电偶插入孔扩大，散热量增大，测量部位的温度降低，因而造成测量误差；（2）放大器“浮空”。将放大器与仪表外壳（大地）绝缘，以切断共模干扰电流的泄漏途径，使干扰电流无法进入。但实际上由于放大器等对地存在分布电容和漏电阻，光靠“浮空”的方法不可能把泄漏途径完全截断，干扰完全排除，因此要同时采用等电位屏蔽法，以取得良好的抗干扰效果；（3）采用三线热电偶。在热电偶允许接地的情况下，从热电偶的热端引出一根金属线接地，这样共模干扰电压将被短接，热电偶对地的电位差等于干扰电流流过接地金属线的电压降。由于接地线的电阻值很小，热电偶和地几乎处于同一电位，这非常有利于消除共模干扰。加进去的金属线应能耐高温并对热电偶无有害影响。对于铂铑 10-铂热电偶可用铂丝或铂铑丝，对于镍铬-镍硅热电偶可用镍铬丝；（4）热电偶保护套管接地。把能导电的保护套管接地后，干扰电流沿保护套管通地，不再进入热电偶。如果保护套管本身是绝缘体，那么可用外加耐热钢管或碳化硅管来接地。
5 结语
热电偶测量温度过程中干扰的形成原因除了上述几种情形外，还会有其他原因，这要视现场具体情况而定，只有了解形成干扰的真正原因，才能找出相对应的措施加以控制。当然，消除干扰除了应用硬件方法外，还可以通过软件方法来实现，比如通过数字滤波等。
参考文献：
[1] 张倩. 热电偶测量温度的常见问题及探讨[J]. 中国科技博览，2012（33）：89-89.
[2] 韦永凡. 浅谈热电偶测量温度的抗干扰问题[J]. 现代制造，2011（6）：12-13.
论文作者:李连胜
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/2
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