热电偶测量回路干扰来源分析及抗干扰的措施

热电偶测量回路干扰来源分析及抗干扰的措施
一、干扰来源分析
归纳为两大类：端间干扰和对地干扰。

（一）端间干扰：就是由于种种原因在仪表输入端之间出现交流信号而造成对仪表的干扰，这种干扰又称横向干扰或线间干扰。

端间干扰电压的大小，可以用万用表（电压表）在仪表输入端测出，一般情况下端间干扰电压约在几毫伏到几十毫伏的范围内。

（测量时万用表测量端钮不应接地，以免引进附加的对地干扰造成测量误差）。

端间干扰来源
1、交变磁场：大功率变压器、交流电动机、强电流导线等周围都有较强的交变磁场，如果补偿导线在邻近通过就会受到这些交变磁场的影响，从而在输入回路中感应出交流电动势，从而形成干扰。

2、热电偶焊接在带电体上引进干扰：在一些特殊要求的测温场合下，需要将热电偶的工作端焊接到用电流直接加热的金属试样的表面上。

由于在金属试样平行于电流方向的各点上存在电位差，从而引进了端间干扰电压，其值为UCD,如果试样的截面是均匀的，则
UCD=UAB
UCD----引起的干扰电压
UAB----试样两端的加热电压
CD-----热电偶丝焊接点距离
AB----试样长度
设UAB=5伏，AB=100㎜，CD=1㎜，则
UCD=5×103×1/100=50mV
3、日常大量遇到的端间干扰信号，是由于有干扰电流通过热电偶及其连接导线或仪表测量系统串接的阻抗所产生的电压降而造成的。

（二）对地干扰：是指干扰电压出现于仪表输入端的一端（正端或负端）对地之间的交流信号，这种干扰又称为纵向干扰。

现场的对地干扰电压的大小，可用万用表（电压表）跨接于仪表输入的一端（正端或负端）与地之间测量，一般情况下对地干扰电压大多在几伏到几十伏的范围内。

对地干扰的来源：
1、高温漏电产生的干扰
使用氧化铝或瓷质保护套管的热电偶测量电炉炉膛温度，在高温时人体碰触到热电偶接头的金属或热电偶丝，会有触电的感觉，如果用试电笔测量氖泡会暗暗发亮，测量热电偶对地之间的电压，可达几十伏的交流电压。

这种现象一般在700℃以上出现，温度愈高，测出的温度也愈高。

这说明有些绝缘材料常温时是良好的绝缘体，但随着温度的升高，其绝缘性能逐渐下降，甚至有些绝缘体在高温时会变成导电体，所有的耐火砖，用氧化铝制成的热电偶保护管和热电极绝缘管都具有这种性质。

不同材料耐火砖的比电阻与温度关系
产品名称主要成分比电阻（欧/母厘米
3）常温 1000℃ 1200℃ 1400℃ 1500℃（氧化铝砖） Al2O3 65～95% 133×106
17200 6100 2200 1100
（耐火粘土砖） Al2O3 30%,SiO2 65% 137×106 10800 4160 1420 890
氧化镁砖 MgO85%左右 137×106 708000 193000 22400 2500
这些材料在常温时电阻是很高的，但随着温度升高，其绝缘性迅速降低。

2、地电流干扰
附近大功率用电设备绝缘性能不良，对地就会有漏电流产生，或者利用大地作为一条输电线，以及配电系统三相不平衡等都有是产生地电流的原因。

如果输入回路中有两个不同的接地点，例如补偿导线自由端直接接地，而热电偶工作端又与金属保护管接触成第二个接地点，这样由于a点和b点电位不相等，就会出现干扰电流i干，i干流经补偿导线电阻R2，在R2上的电压降就会转化成端间干扰电压。

3、高压电场干扰
如果补偿导线靠近高压导线平等敷设，在高压电场的作用下，将有电流i干通过高压导线和补偿导线之间
的分布容经过仪表输入端的接地电容（或分布电容）至地，这样i干在R上的电压降就会转化成端间干扰电压。

（三）直流干扰
以上所谈的都是人们熟知的交流干扰。

同样如果有外加的直流电流出现在测量系统，也会影响仪表的正常工作。

产生直流干扰的原因大致如下：
1、附加热电势
从热电偶的测量原理可知，凡是两种不同的金属连接在一起，构成闭合回路且在它们的连接点处于不同温度下会产生热电势。

如果热电偶或补偿导线的正负极接头，当温度不一致时，就会出现附加热电势。

2、化学电势
凡是两种不同的金属浸入盐类、碱类或酸类的水溶液中，在两种金属导体之间会出现电势，称为化学电势。

补偿导线是由两种不同金属材料组成的。

如果它浸润了上述溶液或其它电解液时便会产生化学电势而形成干扰。

3、热电偶与高压直流电源接触
当热电偶焊接在带有高压直流电的金属物体上测量温度时，由于高压直流电源与仪表的测量系统之间存在漏电阻，这样就会有漏电流经过测量系统而形成干扰。

二、抗干扰的措施
（一）抗端间干扰的措施
1、信号线远离干扰源
电磁感应耦合是端间干扰的主要来源，仪表的输入信号线（补偿导线）应远离干扰源。

（在大功率的交流电动机、电磁接触器、变压器和载有强电流的导线附近不应敷设补偿导线，更不允许将信号线、补偿导线和动力线穿在同一金属管内）
2、信号线相互绞合
干扰电压的大小，除与交流磁场的强度有关外，还与磁通穿过信号线回路的面积有关，把信号线绞合起来，能有效地缩小回路所包围的面积。

绞合的越紧越好。

（将绞合线与不绞合的平行线一起放在同一磁场内比较，结果平行线比绞合线干扰量约大20倍左右）。

信号线绞合也是消除静电感应的有效措施，未绞合时两信号线与电网动力线的距离d1,d2不相等，分布电容c1,c2也不相等，造成a点电位不等于b点电位，从而在仪表输入端出现干扰电压。

如果把信号线绞合起来，则两信号线与干扰线的距离d1,d2大致相等，分布电容c1,c2也大致相等。

因此在输入端呈现的干扰电压也就减小。

3、信号线采取屏蔽措施
屏蔽就是将信号线用金属管套起来。

为了消除工频磁场的干扰，屏蔽管可采用厚的软铁管，这样大部的磁通将沿磁阻很小的铁管通过，因此对信号线的影响减弱。

（仅仅将信号线用屏蔽管套起来，是不能消除静电感应的影响，因为干扰线与屏蔽管之间有分布电容存在，而屏蔽管与信号线之间也存在分布电容，所以静电感应作用仍然存在，只有当屏蔽管接地并与信号线处于等电位时，静电感应才能消除）
4、在仪表输入端加装滤波器
常见的滤波器有两种，即“L”型滤波器和双“T”形滤波器。

⑴“L”型滤波器
我们可以简单地把图中的R和C看作一个分压器，C两端的电压就是滤波器的输出电压，设
R=2K，C=10uF,C对50Hz的交流电的容抗是318欧，当输入端加入1V的50Hz的交流电压时，考虑相移的影响输出端电压约为0.16V，即通过滤波器以后大约衰减了84%。

（提高滤波器的效果不外乎增大RC
的乘积，如果增大C，体积会增大，如果增大R，则对直流有效信号起衰减作用）要使仪表的灵敏度不致因接入R、C滤波器而下降太多，就要求放大器具有高的输入阻抗。

“L”型滤波器不适用低输入阻抗放大器。

三级“L”型滤波器在老的DF系列放大器中，输入阻抗低R入≈300欧。

所以热电偶的热电动势虽然改变了100uV，通过滤波器后输送到放大器的电压
Uab≈•U入= ×100uV=5uV.也就是95%被衰减。

如果输入阻抗是30K，则Uab≈×100uV≈83uV,整机灵敏度影响较小。

（2）双“T”形滤波器
为了适应低输入阻抗放大器的特点，双“T”形滤波器被广泛地使用。

双“T”形滤波器似谐振特性。

当输入的交流电压其频率等于谐振频率f时，滤波器的输出电压近似等于零，此时电路达到平衡而传输系数（比值）下降到零。

当输入信号的频率高于或低于这个谐振频率时，传输系
数就会增大，近似等于1。

这是因为在很低的频率上，C1、C2和C 3的容抗很大，这时的电压传输通过R1和R2来实现。

而在很高的频率时，C1和C2的容抗非常小，这时的电压传输通过C1和C2来实现。

我们常见的干扰信号主要是50Hz工频电压。

因此滤波器的谐振频率选定为50Hz。

对于50Hz的干扰电压，要求双“T”形滤波器的衰减系数不小于100，但是这种滤波器对于偏离谐振频率较大的频率衰减作用较小，
例如对于稳压电源全波整流后出现的100Hz的干扰信号，其衰减系数只有5~7。

（二）抗对地干扰的措施
在现场使用中对地干扰的产生主要是高温漏电所引起的，因此要防止这种干扰着眼点是切断漏电流的途径或者尽可能地降低到最小值；其次是对主要线路采用等电位屏蔽，合理安排一条漏电流的通路，使它不致进入测量系统。

1、热电偶“悬空”
所谓热电偶“悬空”就是使热电偶不与电炉的耐火砖接触，这种方法可以切断漏电流流入的途径，抗干扰效果很好。

但是热电偶套管在高温下使用容易发生弯曲变形，很难长期保持不与耐火砖接触，不适用于水平插入安装的热电偶。

2、放大器“浮空”
使放大器对仪表外壳（大地）绝缘隔离，这也是切断对地干扰途径的一种措施。

这样，如果线路对地的阻抗无穷大，例如大于1011Ω，就可以保证仪表不受干扰。

但实际小很难做到这一点，因为电源变压器次级绕组，放大器外壳，放大器外接导线对地都存在漏阻抗，所以单纯采用这种方法不能把干扰完全排除，而要和其他措施配合使用，例如等电位屏蔽法等。

3、采用三线热电偶
从热电偶的工作端（热端）引出一根金属线接地，这样对地干扰电压将被短接。

热电偶对地的电位等于流过接地金属线的电压降。

因为接地线的电阻是很小的。

所以热电偶对地几乎处于同一电位。

这对于消除对地干扰效果很好。

加接的金属线应使用耐高温并对热电偶不产生有害影响的材料。

对铬铝热电偶可用镍铬丝；对铂铑热电偶可用铂丝或铂铑丝。

4、热电偶保护管接地
把热电偶的金属保护管接地，对消除对地干扰效果也很显著。

因为保护管接地后，干扰电流沿保护管通地，而不再进入热电偶。

对于贵金属热电偶，其保护管是用氧化铝制成的，而氧化铝是绝缘体，那么可以用外加耐热钢管或碳化硅管来接地。

5、旁路电容法
这个方法是在补偿导线的一端通过一个容量足够大的电容器接地，使干扰电流通过电容C旁路，以降低对地干扰的电压。

这个方法在干扰不太强时有一定效果，但当干扰电压较高，两接地点之间的电阻R1较大时，其效果就不显著；因为这时流过R1的电流很大，在R1的电压降如果超过了仪表所能承受的端间干扰电压值，就会影响仪表的正常工作，因此这种方法有它的局限性。

6、等电位屏蔽
测量系统的导线与它的屏蔽层存在分布电容和漏电阻，输入变压器初级绕组与它的屏蔽层也存在分布电容和漏电阻。

如果屏蔽层接地，那么就成为泄露途径。

漏电流通过测量桥路或输入变压器而造成干扰。

为了避免这种干扰的产生，屏蔽层不接地而接至热电偶输入端负极或正极。

这样屏蔽层就与测量系统的电位相等，它们之间没有电位差，从而使漏电流只沿屏蔽层及其对地分布电容所组成的回路通过而不流进被屏蔽导体。

7、正确的接地
在某些场合下，使用三线热电偶或工作端焊接于金属套管上的热电偶测温时，应注意保证在测量系统中不应再有每二个接地点，以防止不同的地电位引入干扰；当热电偶与仪表两者距离很远时，尤应特别注意。

此外，补偿导线屏蔽管的接地点也应正确处理。

正确接地方法
不正确接地方法
屏蔽管两端接地，则屏蔽管中将有电流流过，在屏蔽管中形成电位梯度，通过屏蔽管与补偿导线间的分布电容而耦合到补偿导线中去，从而形成干扰。

屏蔽管在测量仪表输入端接地，则使干扰电流通过补偿导线；同时分布电容对仪表输入端起分路作用，使仪表输入端对地阻抗降低，从而消弱了抗干扰能力。