火電廠熱電偶測溫測量儀表的應用

摘要:在火電廠測溫儀器有很多,而熱電偶測溫儀表是其中的一種。它是溫度測量儀表中常用的測溫元件,它直接測量溫度,井把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號,通過電氣儀表(二次儀表)轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。與RTD、電熱調(diào)節(jié)器、溫度檢測集成電路(IC)相比,熱電偶能夠檢測更寬的溫度范圍,具有較高的性價比。另外，熱電偶的牢固、可靠性和快速響應時間使其成為電力生產(chǎn)工作環(huán)境下的首要選擇。
1.熱電偶簡介
　　在火電廠的熱力生產(chǎn)過程中，從工質(zhì)到各部件無不伴有溫度的變化。在火電廠中，熱電偶測溫和熱電阻測溫應用得最廣,熱電偶溫度計-般用于測量500℃以上的溫度。例如,電廠熱力過程中的主蒸汽溫度、過熱器管壁溫度.汽輪機高壓汽缸壁溫度以及高溫煙氣濕度等,都是采用熱電偶進行測溫的。熱電偶是熱電效應理論的具體應用之一,在溫度測量中有廣泛的應用，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、容易構(gòu)造等優(yōu)點。熱電偶通過與顯示儀表配合使用,可以實現(xiàn)遠距離測量.自動記錄.溫度自動控制等。
2.熱電偶測溫原理
　　熱電偶溫度計是根據(jù)熱電效應原理實現(xiàn)溫度測量的。所謂熱電效應就是用兩種不同導體或半導體A和B接成閉合回路時，如果A和B的兩個接點溫度不同(假定t>t0)則在該回路中就會產(chǎn)生電流,這表明回路中存在電動勢,這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應或賽貝克效應。常用的熱電偶有兩根不同的導線組成，實際測溫時,回路的--端必須斷開.它們的一端焊接在一起，叫做熱端(通常稱為測量端),放入到被測介質(zhì)中:不連接的兩個自由端叫做冷端(通常稱為參考端),與測量儀表引出的導線相連接。當熱端與冷端有溫差時，測量儀表便能測出介質(zhì)的溫度。
N型熱電偶的特性
　　N型熱電偶的正極為含鉻與硅的鎳鉻硅合金(NP),負極含硅的鎳基合金(NN,主要特性如下:1)針對K型熱電偶鎳鉻極中Cr.Si元素擇優(yōu)氧化引起合金成分不均勻及熱電勢漂移等問題，在N型熱電偶的正極中增加Si.Cr含量，使鎳鉻合金的氧化模式由內(nèi)氧化轉(zhuǎn)變?yōu)橥庋趸?又在負極中增添溶質(zhì)元素Mg與Si,盡管si含量增大要降低熱電勢,但可使金屬與氧化物間的鈍化膜更加致密。井因Mg與si擇優(yōu)氧化形成擴散勢壘,阻止“綠蝕"現(xiàn)象向內(nèi)部擴散，抑制進一步氧化發(fā)生。
　　對在1200℃下經(jīng)100h的K與N型熱電偶的正極進行顯微結(jié)構(gòu)觀察表明,K型熱電偶的氧化層很厚近1mm,而N型熱電偶卻幾乎看不到氧化膜。又因K型熱電偶負極中含有Mn,雖有調(diào)整熱電勢的作用,但卻極大地影響了它的高溫穩(wěn)定性。
　　為此，N型熱電偶中不再添加Mn,它的高溫穩(wěn)定性與使用壽命較K型熱電偶明顯提高。
2)K型熱電偶在250~550℃范圍內(nèi)循環(huán)使用時，因其顯微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成短程有序結(jié)構(gòu)(即所謂的K狀態(tài)),致使其熱電勢不穩(wěn)定,而N型熱電偶能消除此種短期不穩(wěn)定性。在NiCr二元合金中,Cr含量在5%-~30%的范圍內(nèi)，存在著原子晶格結(jié)構(gòu)的有序至無序轉(zhuǎn)變,但在此成分范圍內(nèi),有一個很小的區(qū)域,即Gr含量為14%~16%左右時，例如Cr含量為14.2%的鎳鉻合金，將不因結(jié)構(gòu)上有序至無序的轉(zhuǎn)變而引起熱電勢值有較大變化。實踐證明,N型熱電偶在250~550℃范圍內(nèi)的升降溫過程中，熱電勢的變化不超過10uV.
3)N型熱電偶在250-550℃范圍內(nèi)抑制了磁性轉(zhuǎn)變，不再出現(xiàn)熱電勢
明顯地不規(guī)則變化。K型熱電偶負極，約在170℃發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變。對N型熱電偶的負極合金成分作了較大調(diào)整，基本不含Mn、AI.Co等元素,Si含量有較大提高，抑制了新型合金的磁性轉(zhuǎn)變,使其轉(zhuǎn)變溫度降到室溫以F.
4)K型熱電偶具有較好的耐輻射照能力，而N型熱電偶在K型熱電偶的基礎上,又取消了易蛻變元素Mn.Co等，因此,N型熱電偶較K型熱電偶具有更好的耐核輻射的能力。
5)在400-1300℃范圍內(nèi),N型熱電偶非線性誤差僅占1300℃熱電勢的0.4%,而K型熱電偶在相同范圍內(nèi)的非線性誤差占1300℃的1.75%,比N型熱電偶大得多。當然N型熱電偶與K型熱電偶相比,在低溫范圍內(nèi)(-200-400℃的非線性誤差較大同時材料較硬，難于加工。
3.熱電偶的優(yōu)缺點
　　優(yōu)點:熱電偶回路中的電動勢的大小，只與組成熱電偶的導體材料和接觸點的溫度有關,而與熱電偶的形狀和尺寸無關,所以用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性,這種細微的測溫元件具有高響應速度,可以測量快速變化的過程。而這些也為例如薄膜熱電偶傳感器的開發(fā)和應用創(chuàng)造了條件.
　　缺點:它靈敏度比較低，熱電偶的冷端通常接近被測對象,溫度并不是恒定不變的，且容易受到環(huán)境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。
　　解決辦法:針對熱電偶容易受環(huán)境溫度影響和不適合測量微小溫度變化的缺點，可能就需要運用到冷端補償。其中冷端補償有可以分為:冷端恒溫法、補償導線法、計算修正法、電橋補償法等。
4.熱電偶在火力發(fā)電廠中的應用
　　我國火電廠主蒸汽溫度的測量大都采用K型熱電偶作為一次元件,目前存在著測溫精度不高的問題。為了提高主蒸汽溫度測量的準確性,用N型熱電偶替換K型熱電偶是-一個有效的技術措施。目前.N型熱電偶已在火電廠主蒸汽溫度測量中應用。N型熱電偶具有熱電特性穩(wěn)定,使用壽命長和非線性誤差小等優(yōu)點，提高主蒸汽溫度測量的精度，滿足了火電機組運行規(guī)程的要求。在用N型熱電偶測量主蒸汽溫度成功應用的基礎上,也可以用N型熱電偶測量過熱器和汽缸等金屬壁的溫度。
　　根據(jù)大量的實踐表明,N型熱電偶在測量主蒸汽溫度上具有如下優(yōu)點:
1)N型熱電偶的250-~550℃范圍內(nèi)的熱循環(huán)穩(wěn)定性明顯高于K型熱電偶,因此,用N型熱電偶測主蒸汽溫度可提高監(jiān)控系統(tǒng)的準確性和可靠性，從而保證了火力發(fā)電機組的安全和經(jīng)濟運行。
2)N型熱電偶的高溫穩(wěn)定性和壽命較K型熱電偶有成倍的提高。因此，在用N型熱電偶測量主蒸汽溫度成功應用的基礎上，可進行用N型熱電偶測過熱器和汽缸等金屬壁溫的試驗研究,這對保證儀表的完好率，降低儀表的故障率有著十分重要的意義。
3)用N型熱電偶替換K.EJ.T型熱電偶和部分s型熱電偶的技術措施是可行的，這不但可以大大簡化測溫元件和儀表的品種，而且給測溫元件和儀表的生產(chǎn)、使用和管理帶來極大方便和明顯的經(jīng)濟效益。
4)隨著N型熱電偶生產(chǎn)量的增加.其價格還會明顯下降，預計不會高于K型熱電偶的價格。
　　用N型熱電偶替換K型熱電偶測量主蒸汽溫度的應用實踐表明,N型熱電偶具有熱電特性穩(wěn)定,,使用壽命長和非線性誤差小等優(yōu)點。因此，N型熱電偶有全面替換賤金屬(K.EJT)和部分貴金屬熱電偶(S)的趨勢，它在火電廠有廣調(diào)的應用前景。