热电偶法测电气产品表面温升探讨

摘要:温升测试是电气类产品通用检验项中的重要安全参数,其正确性对产品的品质和性能至关重要。很多标准对温升的测量方法描述得不够详细,导致测量中会出现影响结果的偏差。在某次热电偶法测电气产品表面温升的能力验证中发现本实验室测量数据偏低,需要找到影响温升数据正确性的原因并纠正。通过使用质控样品，对热电偶的固定材料和测试环境进行了试验对比与分析,找到温升数据偏低的原因是热电偶与被测表面接触不良和测量环境中空调造成的空气对流。使用高温胶带和控制测试环境中的空气对流后,试验数据取得了满意的结果。此次结论有利于温升测试能力的控制与优化。
0引言
　　随着现代社会的经济发展,人们的生活水平越来越好，电器产品琳琅满目，满足人们各种需要。而电器产品通电时产生的热量过高又无法及时散去会造成表面温度过高，人体触及时可能会产生烫伤危害;内部温度过高会造成绝缘性能和机械防护性能的劣化，影响产品的功能与性能，严重时甚至会引起触电和火灾伤害。因此在产品的研发设计中,温升试验是检验与保证产品安全性的一个不可或缺的重要项目;在内部品质管理、外部认证抽查时，温升也是电气类产品通用检验项目中的重要安全参数。
　　目前很多标准对温升的测量方法描述得不够详细,导致实验中会出现很多主观偏差,采用不同的测量方法会产生数据.上的偏差，进而影响产品的评价结果。基于温度测量的正确性对产品的品质和性能是至关重要的，所以需要定期对该试验进行检验与核查,保证测量数据的正确。热电偶法测电气产品表面温升的能力验证中出现温升数据偏低的问题,因此本文对热电偶的固定方法和测试环境进行对比分析，旨在找到影响表面温升试验数据正确性的原因并纠正。也希望本文的探讨结果能给他人一些参考，避免同样的问题，确保温升测量数据的正确性。
1温升试验的要求
　　温升试验分为正常工作时的温升和非正常工作的温升。正常工作时的温升模拟电气产品在实际工作中会随通电时间而持续升温;非正常工作涉及短路、开路等各种故障，温度上升会更加明显。除了电机温升推荐使用绕组法外，其他的温升一般都推荐使用线径不超过0.3mm的热电偶进行测量,其布点位置的要求是对测量部位的温度影响最小。热电偶作为常用测温元件,按IEC国际标准可分为B、E、J、K.R、S、T七种类型印。本文将选用目前用量最大的K型热电偶进行电气产品表面的温度采集测量并进行数据分析，其主要特征是正负极分别是含10%铬的镍铬合金和含3%硅的镍硅合金，具有耐高温、价格便宜的优势。
2热电偶的固定方式对温度测量的影响
　　热电偶的固定方法有夹持式、焊接式、磁吸式和粘贴式，其中粘贴式易于安装,且不容易破坏产品本身的外观与结构,是目前试验室常用的固定方式。本文主要基于GB4706.1标准展开讨论，其对使用热电偶测量温度时的固定方式没有进行明确说明，故对实验室现有的粘贴材料进行了测评与分析,目的是选择最正确的固定方式。
2.1试验方法
　　试验样品:热电偶法温升试验质量控制品，中心测试点的温升指定值:X=25.1K,标准偏差σ=1.70K.
　　试验设备:线径为0.3mm的K型热电偶;
　　菊水型号为PCR4000w的稳压电源;
　　温升记录仪
　　粘贴材料:选择了试验室常用的几种,详细信息如表1所示。
 
试验条件:.
　　将样品水平放置在测试角内的底部木板.上,样品侧面与测试角侧壁平行并相距20cm,将热电偶端部用粘贴材料固定在试验样品的表面中心。将样品在工作电压(220V)下连续通电3h;从通电2.5h后开始，每隔5分钟记录一次表面温度与环境温度,样品指定点温升=(样品指定点温度-环境温度)K.
　　结果判定:Z=(x-X)/σ。
　　如，||≤2,为正常结果;2<|81<3,为警示结果;|Z|≥3,为超出控制结果。
　　式中:x-试验室的测量温升值;X-指示值;σ-标准偏差。
2.2数据结果与分析
 
　　从表2的试验数据来看,单独使用一种胶带或胶水的结果虽然有点偏差，但是都是属于在正常范围内。可见只要粘性合格，选用何种粘贴方式都是可行的。胶带的粘性决定了热电偶端部与测试表面的接触是否良好,未紧密固定时，中间的空气间隙会影响导热，导致温度数据偏低。测试中还发现，用3M电气绝缘胶带和普通透明胶带在测试中随着温度.上升会出现粘性变差、热电偶测温线与测试表面接触不好的状态，传感器与被测物体松动的可能性较大甲。因此，测量温升时不建议使用这两种胶带,更推荐耐高温的胶带和测温胶水。
　　值得注意的是铝箔胶带，常见且粘性好，但是由于热电偶的工作原理是两种不同材料的导体或半导体两端连接成回路，当参比端和感温端产生温差时，就会产生热电效应，铝箔属于金属介质,会影响回路中产生的电动势和电流的传输，从而影响数据结果,故也不推荐使用。而胶水加胶带这种方式会影响散热性，导致实际测量值偏高，多层胶带固定也同理，应尽量采用单层胶带且减少覆盖面积或者胶水固定，减少对散热的影响。
3空气对流对温度测量的影响
　　温升试验对环境温度的要求比较严格，GB4706.1-2005中的5.7条款明确指出，试验在无强制对流空气且环境温度为20±5℃的场所进行，如有疑问要求环境温度保持在23±2℃.一.般自然条件下的环境温度是无法满足的，那么就需要调温设备进行控温。对于温度的控制是很容易做到的，设置空调温度,然后配合温湿度记录仪或者温度记录仪都可以进监测。但是对于标准中另--个要求“无强制对流空气”很难去监测，甚至在试验时容易忽视。
　　空气对流在产品设计中通常被应用在部件的降温上,提高空气对流能降低部件的温度印。空调的工作原理是室内空气不断循环流动的过程，为为快速达到设定温度,空调会加大风速，这些带温度的空气对流到样品表面时，测试点的散热会加快,从而产生偏差。本试验场所使用的空调为顶嵌式中央空调,测试时使用了空调制冷以达到环境温度要求，温升测试角位于两个空调的中间，其中一个空调的风在未进行干预的情况下能直接吹到测试角，测试角的最大风速能达到0.8m/s.在这种情况下发现测量的温升数据比标准值偏低可达到9K.关闭此空调后，表面温度在3分钟左右能上升5℃。由此可见，测试环境的空气对流对表面的温升测试试验影响很大，内部的温升有外壳的保护,相对影响较小。
4结论
　　热电偶的固定方式对温度测量有一定的影响，一部分源自固定材料本身的材质特性影响被测表面的散热性，一部分源自热电偶端部和被测表面的接触是否良好，包括初次固定是否牢固,牢固度是否会随着温度和时间变差。测量数据偏低极有可能是热电偶和被测表面接触不良导致，虽然本文的试验中各种胶带的数据偏差不大，但是实际使用中热电偶固定不牢固从测量表面脱落的情况也是有的，那时误差会很大。所以推荐使用耐高温的胶带和测温胶水，确保粘性不会随着温度的上升而劣化。造成温升测量数据偏低的另一种原因就是测试环境中的空气对流，实测对温升的影响可达到9K.所以平时在选择温升测量环境的时候一定要注意“无强制对流空气”。最后通过使用高温胶带和控制测试环境中的空气对流，热电偶法测电气产品表面温升的实验取得了满意的结果。今后将把本次探讨的结果形成指导书进行内部宣贯，确保测量数据的正确性。