熱電偶法測電氣產(chǎn)品表面溫升探討

摘要:溫升測試是電氣類產(chǎn)品通用檢驗(yàn)項(xiàng)中的重要安全參數(shù),其正確性對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)和性能至關(guān)重要。很多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫升的測量方法描述得不夠詳細(xì),導(dǎo)致測量中會(huì)出現(xiàn)影響結(jié)果的偏差。在某次熱電偶法測電氣產(chǎn)品表面溫升的能力驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)本實(shí)驗(yàn)室測量數(shù)據(jù)偏低,需要找到影響溫升數(shù)據(jù)正確性的原因并糾正。通過使用質(zhì)控樣品，對(duì)熱電偶的固定材料和測試環(huán)境進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比與分析,找到溫升數(shù)據(jù)偏低的原因是熱電偶與被測表面接觸不良和測量環(huán)境中空調(diào)造成的空氣對(duì)流。使用高溫膠帶和控制測試環(huán)境中的空氣對(duì)流后,試驗(yàn)數(shù)據(jù)取得了滿意的結(jié)果。此次結(jié)論有利于溫升測試能力的控制與優(yōu)化。
0引言
　　隨著現(xiàn)代社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,人們的生活水平越來越好，電器產(chǎn)品琳瑯滿目，滿足人們各種需要。而電器產(chǎn)品通電時(shí)產(chǎn)生的熱量過高又無法及時(shí)散去會(huì)造成表面溫度過高，人體觸及時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生燙傷危害;內(nèi)部溫度過高會(huì)造成絕緣性能和機(jī)械防護(hù)性能的劣化，影響產(chǎn)品的功能與性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)鹩|電和火災(zāi)傷害。因此在產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)中,溫升試驗(yàn)是檢驗(yàn)與保證產(chǎn)品安全性的一個(gè)不可或缺的重要項(xiàng)目;在內(nèi)部品質(zhì)管理、外部認(rèn)證抽查時(shí)，溫升也是電氣類產(chǎn)品通用檢驗(yàn)項(xiàng)目中的重要安全參數(shù)。
　　目前很多標(biāo)準(zhǔn)對(duì)溫升的測量方法描述得不夠詳細(xì),導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中會(huì)出現(xiàn)很多主觀偏差,采用不同的測量方法會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù).上的偏差，進(jìn)而影響產(chǎn)品的評(píng)價(jià)結(jié)果?；跍囟葴y量的正確性對(duì)產(chǎn)品的品質(zhì)和性能是至關(guān)重要的，所以需要定期對(duì)該試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)與核查,保證測量數(shù)據(jù)的正確。熱電偶法測電氣產(chǎn)品表面溫升的能力驗(yàn)證中出現(xiàn)溫升數(shù)據(jù)偏低的問題,因此本文對(duì)熱電偶的固定方法和測試環(huán)境進(jìn)行對(duì)比分析，旨在找到影響表面溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性的原因并糾正。也希望本文的探討結(jié)果能給他人一些參考，避免同樣的問題，確保溫升測量數(shù)據(jù)的正確性。
1溫升試驗(yàn)的要求
　　溫升試驗(yàn)分為正常工作時(shí)的溫升和非正常工作的溫升。正常工作時(shí)的溫升模擬電氣產(chǎn)品在實(shí)際工作中會(huì)隨通電時(shí)間而持續(xù)升溫;非正常工作涉及短路、開路等各種故障，溫度上升會(huì)更加明顯。除了電機(jī)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(jìn)行測量,其布點(diǎn)位置的要求是對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行電氣產(chǎn)品表面的溫度采集測量并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其主要特征是正負(fù)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(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)。
2熱電偶的固定方式對(duì)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(chǎn)品本身的外觀與結(jié)構(gòu),是目前試驗(yàn)室常用的固定方式。本文主要基于GB4706.1標(biāo)準(zhǔn)展開討論，其對(duì)使用熱電偶測量溫度時(shí)的固定方式?jīng)]有進(jìn)行明確說明，故對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的粘貼材料進(jìn)行了測評(píng)與分析,目的是選擇最正確的固定方式。
2.1試驗(yàn)方法
　　試驗(yàn)樣品:熱電偶法溫升試驗(yàn)質(zhì)量控制品，中心測試點(diǎn)的溫升指定值:X=25.1K,標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=1.70K.
　　試驗(yàn)設(shè)備:線徑為0.3mm的K型熱電偶;
　　菊水型號(hào)為PCR4000w的穩(wěn)壓電源;
　　溫升記錄儀
　　粘貼材料:選擇了試驗(yàn)室常用的幾種,詳細(xì)信息如表1所示。
 
試驗(yàn)條件:.
　　將樣品水平放置在測試角內(nèi)的底部木板.上,樣品側(cè)面與測試角側(cè)壁平行并相距20cm,將熱電偶端部用粘貼材料固定在試驗(yàn)樣品的表面中心。將樣品在工作電壓(220V)下連續(xù)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(huán)境溫度,樣品指定點(diǎn)溫升=(樣品指定點(diǎn)溫度-環(huán)境溫度)K.
　　結(jié)果判定:Z=(x-X)/σ。
　　如，||≤2,為正常結(jié)果;2<|81<3,為警示結(jié)果;|Z|≥3,為超出控制結(jié)果。
　　式中:x-試驗(yàn)室的測量溫升值;X-指示值;σ-標(biāo)準(zhǔn)偏差。
2.2數(shù)據(jù)結(jié)果與分析
 
　　從表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看,單獨(dú)使用一種膠帶或膠水的結(jié)果雖然有點(diǎn)偏差，但是都是屬于在正常范圍內(nèi)。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(shí)，中間的空氣間隙會(huì)影響導(dǎo)熱，導(dǎo)致溫度數(shù)據(jù)偏低。測試中還發(fā)現(xiàn)，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(huì)出現(xiàn)粘性變差、熱電偶測溫線與測試表面接觸不好的狀態(tài)，傳感器與被測物體松動(dòng)的可能性較大甲。因此，測量溫升時(shí)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(dǎo)體或半導(dǎo)體兩端連接成回路，當(dāng)參比端和感溫端產(chǎn)生溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生熱電效應(yīng)，鋁箔屬于金屬介質(zhì),會(huì)影響回路中產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)和電流的傳輸，從而影響數(shù)據(jù)結(jié)果,故也不推薦使用。而膠水加膠帶這種方式會(huì)影響散熱性，導(dǎo)致實(shí)際測量值偏高，多層膠帶固定也同理，應(yīng)盡量采用單層膠帶且減少覆蓋面積或者膠水固定，減少對(duì)散熱的影響。
3空氣對(duì)流對(duì)溫度測量的影響
　　溫升試驗(yàn)對(duì)環(huán)境溫度的要求比較嚴(yán)格，GB4706.1-2005中的5.7條款明確指出，試驗(yàn)在無強(qiáng)制對(duì)流空氣且環(huán)境溫度為20±5℃的場所進(jìn)行，如有疑問要求環(huán)境溫度保持在23±2℃.一.般自然條件下的環(huán)境溫度是無法滿足的，那么就需要調(diào)溫設(shè)備進(jìn)行控溫。對(duì)于溫度的控制是很容易做到的，設(shè)置空調(diào)溫度,然后配合溫濕度記錄儀或者溫度記錄儀都可以進(jìn)監(jiān)測。但是對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)中另--個(gè)要求“無強(qiáng)制對(duì)流空氣”很難去監(jiān)測，甚至在試驗(yàn)時(shí)容易忽視。
　　空氣對(duì)流在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中通常被應(yīng)用在部件的降溫上,提高空氣對(duì)流能降低部件的溫度印?？照{(diào)的工作原理是室內(nèi)空氣不斷循環(huán)流動(dòng)的過程，為為快速達(dá)到設(shè)定溫度,空調(diào)會(huì)加大風(fēng)速，這些帶溫度的空氣對(duì)流到樣品表面時(shí)，測試點(diǎn)的散熱會(huì)加快,從而產(chǎn)生偏差。本試驗(yàn)場所使用的空調(diào)為頂嵌式中央空調(diào),測試時(shí)使用了空調(diào)制冷以達(dá)到環(huán)境溫度要求，溫升測試角位于兩個(gè)空調(diào)的中間，其中一個(gè)空調(diào)的風(fēng)在未進(jìn)行干預(yù)的情況下能直接吹到測試角，測試角的最大風(fēng)速能達(dá)到0.8m/s.在這種情況下發(fā)現(xiàn)測量的溫升數(shù)據(jù)比標(biāo)準(zhǔn)值偏低可達(dá)到9K.關(guān)閉此空調(diào)后，表面溫度在3分鐘左右能上升5℃。由此可見，測試環(huán)境的空氣對(duì)流對(duì)表面的溫升測試試驗(yàn)影響很大，內(nèi)部的溫升有外殼的保護(hù),相對(duì)影響較小。
4結(jié)論
　　熱電偶的固定方式對(duì)溫度測量有一定的影響，一部分源自固定材料本身的材質(zhì)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(huì)隨著溫度和時(shí)間變差。測量數(shù)據(jù)偏低極有可能是熱電偶和被測表面接觸不良導(dǎo)致，雖然本文的試驗(yàn)中各種膠帶的數(shù)據(jù)偏差不大，但是實(shí)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(shí)誤差會(huì)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(huì)隨著溫度的上升而劣化。造成溫升測量數(shù)據(jù)偏低的另一種原因就是測試環(huán)境中的空氣對(duì)流，實(shí)測對(duì)溫升的影響可達(dá)到9K.所以平時(shí)在選擇溫升測量環(huán)境的時(shí)候一定要注意“無強(qiáng)制對(duì)流空氣”。最后通過使用高溫膠帶和控制測試環(huán)境中的空氣對(duì)流，熱電偶法測電氣產(chǎn)品表面溫升的實(shí)驗(yàn)取得了滿意的結(jié)果。今后將把本次探討的結(jié)果形成指導(dǎo)書進(jìn)行內(nèi)部宣貫，確保測量數(shù)據(jù)的正確性。