淺談熱電偶在火電中的使用

摘要:本文簡(jiǎn)述了熱電偶的原理及各種熱電偶常用的型號(hào)，并說(shuō)明了使用的注意事項(xiàng)和誤差產(chǎn)生的原因，同時(shí)闡述了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的使用的注意事項(xiàng)和誤.差的產(chǎn)生原因。
一、熱電偶工作原理及其理論基礎(chǔ)
       若將兩種不同的導(dǎo)體與半導(dǎo)體連接成閉合回路，再將其兩個(gè)接點(diǎn)分別置于溫度各為T(mén)及T0的熱源中，則在該回路內(nèi)即可產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)，亦稱(chēng)熱電勢(shì)，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。而溫差電勢(shì)則是在同--導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢(shì)。由于高溫端(T)的電子能量比低溫端的電子能量大，因而從高溫端跑到低溫端的電子數(shù)比從低溫端跑到高溫端的要多，其結(jié)果是高溫端失去電子而帶正電荷,低溫端因得到電子而帶負(fù)電荷，從而形成-一個(gè)靜電場(chǎng)。這樣在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電位差即溫差電勢(shì)。這樣在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線(xiàn)，只要第三種導(dǎo)線(xiàn)兩端溫度相同，則第三種導(dǎo)線(xiàn)引入不會(huì)影響熱電偶的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)此性質(zhì)，在回路中引入各種儀表、連接導(dǎo)線(xiàn)等，不用擔(dān)心對(duì)熱電偶的影響，所以也可采用焊接法制成熱電偶。
二、常用熱電偶的簡(jiǎn)介
現(xiàn)在我常用的熱電偶主要有以下兒種類(lèi)型:
1.鉑銠10-鉑熱電偶(S型，也稱(chēng)為單鉑銠熱電偶)Orton使用的就是這種熱電偶該熱電偶的正極成份為含銠10%的鉑銠合金，負(fù)極為純鉑;它的特點(diǎn)是:熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強(qiáng)、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用、長(zhǎng)期使用溫度可達(dá)1300℃，超達(dá)1400℃時(shí)，即使在空氣中、純鉑絲也將會(huì)再結(jié)晶，使晶粒粗大而斷裂;精度高，它是在所有熱電偶中，準(zhǔn)精度等級(jí)高的，通常用作標(biāo)準(zhǔn)或測(cè)量較高的溫度;使用范圍較廣，均勻性及互換性好;主要缺點(diǎn)有:微分熱電勢(shì)較小，因而靈敏度較低;價(jià)格較貴，機(jī)械強(qiáng)度低，不適宜在還原性氣氛或有金屬蒸汽的條件下使用。
2.鎳鉻-鎳硅(鎳鋁)熱電偶(K型)
       該熱電偶的正極為含鉻10%的鎳鉻合金，負(fù)極為含硅3%的鎳硅合金(有些國(guó)家的產(chǎn)品負(fù)極為純鎳)?？蓽y(cè)量0~1300℃的介質(zhì)溫度,適宜在氧化性及惰性氣體中連續(xù)使用，短期使用溫度為1200℃,長(zhǎng)期使用溫度為1000℃，其熱電勢(shì)與溫度的關(guān)系近似線(xiàn)性，價(jià)格便宜，是目前用量最大的熱電偶。K型熱電偶是抗氧化性較強(qiáng)的賤金屬熱電偶，不適宜在真空、含硫、含碳?xì)夥占把趸€原交替的氣氛下裸絲使用;當(dāng)氧分壓較低時(shí)，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化，使熱電勢(shì)發(fā)生很大變化，但金屬氣體對(duì)其影響較小，因此，多采用金屬制保護(hù)管。
K型熱電偶的缺點(diǎn)
       熱電勢(shì)的高溫穩(wěn)定性較N型熱電偶及貴重金屬熱電偶差，在較高溫度下(例如超過(guò)1000℃)往往因氧化而損壞;在250~500℃范圍內(nèi)短期熱循環(huán)穩(wěn)定性不好，即在同--溫度點(diǎn)，在升溫降溫過(guò)程中，其熱電勢(shì)示值不-一樣，其差值可達(dá)2~3℃;負(fù)極在150-200℃范圍內(nèi)要發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變，在室溫至230C范圍內(nèi)分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場(chǎng)中使用時(shí)往往出現(xiàn)與時(shí)間無(wú)關(guān)的熱電勢(shì)干擾;長(zhǎng)期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下，由于負(fù)極中的錳(Mn).鈷(Co)等元素發(fā)生蛻變，使其穩(wěn)定性欠佳，致使熱電勢(shì)發(fā)生較大變化。
3.鎳鉻硅-鎳硅熱電偶(N型)Orton的低溫膨脹儀上使用的就是這種熱電偶該熱電偶的主要特點(diǎn)是:在1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強(qiáng)，長(zhǎng)期穩(wěn)定性及短期熱循環(huán)復(fù)現(xiàn)性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在400-1300℃范圍內(nèi)，N型熱電偶的熱電特性的線(xiàn)性比K型偶要好;但在低溫范圍內(nèi)(-200~400℃)的非線(xiàn)性誤差較大，同時(shí)，材料較硬難于加工。
4.鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B型)
       該熱電偶的正極是含銠30%的鉑銠合金，負(fù)極為含銠6%的鉑銠合金，在室溫下，其熱電勢(shì)很小，故在測(cè)量時(shí)一般不用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，可忽略冷端溫度變化的影響;長(zhǎng)期使用溫度為1600℃，短期為1800℃,因熱電勢(shì)較小，故需配用靈敏度較高的顯示儀表。B型熱電偶適宜在氧化性或中性氣氛中使用，也可以在真空氣氛中的短期使用;即使在還原氣氛下，其壽命也是R或s型的10-20倍;由于其電極均由鉑銠合金制成，故不存在鉑銠-鉑熱電偶負(fù)極上所有的缺點(diǎn)、在高溫時(shí)很少有大結(jié)晶化的趨勢(shì)，且具有較大的機(jī)械強(qiáng)度;同時(shí)由于它對(duì)于雜質(zhì)的吸收或銠的遷移的影響較少，因此經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用后其熱電勢(shì)變化并不嚴(yán)重、缺點(diǎn)價(jià)格昂貴。
5.銅-銅鎳熱電偶(T型)
       T型熱電電偶,該熱電偶的正極為純銅，負(fù)極為銅鎳合金(也稱(chēng)康銅)，其主要特點(diǎn)是:在賤金屬熱電偶中，它的精度高、熱電極的均勻性好;它的使用溫度是-200-350℃，因銅熱電極易氧化，并且氧化膜易脫落，故在氧化性氣氛中使用時(shí)，一般不能超過(guò)300℃，在-200-300℃范圍內(nèi)，它們靈敏度比較高，銅-康銅熱電偶還有一個(gè)特點(diǎn)是價(jià)格便宜,是常用幾種定型產(chǎn)品中便宜的-一種。
6.鐵-康銅熱電偶(J型)
       J型熱電偶,該熱電偶的正極為純鐵，負(fù)極為康銅(銅鎳合金)，具特點(diǎn)是價(jià)格便宜,適用于真空氧化的還原或惰性氣氛中，溫度范圍從-200-800℃，但常用溫度只是500℃以下，因?yàn)槌^(guò)這個(gè)溫度后，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線(xiàn)徑的絲材，尚可在高溫中使用且.有較長(zhǎng)的壽命;該熱電偶能耐氫氣及-一氧化碳等氣體的腐蝕，但不能在高溫(例如500℃)含硫的氣氛中使用。
三、熱電偶使用注意事項(xiàng)
       如果熱電偶安裝和使用不當(dāng)，不但會(huì)增大測(cè)量誤差，還可能降低熱電偶的使用壽命。因此，應(yīng)根據(jù)被測(cè)溫度范圍和工作環(huán)境，正確安裝和合理使用熱電偶。
1.應(yīng)選擇合適的安裝地點(diǎn)。由于加熱爐內(nèi)溫度分布不均勻，熱電偶測(cè)得的又是局部區(qū)域的溫度，因此應(yīng)選擇合適的測(cè)量點(diǎn)安放熱電偶。通常可將熱電偶安裝在溫度較均勻且能代表工件溫度的位置，而不能安裝在爐門(mén)旁或離加熱源太近的地方。
2.安裝熱電偶的位置應(yīng)盡可能離開(kāi)強(qiáng)電磁場(chǎng)，以免測(cè)溫儀表引入附加干擾信號(hào)。
3.熱電偶插入爐膛的深度應(yīng)不小于熱電偶保護(hù)管外徑的8~10倍，熱端應(yīng)盡可能靠近工件，但必須保證裝卸工件時(shí)不損壞熱電偶。
4.熱電偶的接線(xiàn)盒不應(yīng)緊靠爐壁，以免其冷端溫度過(guò)高。一般應(yīng)離爐壁200mm左右。
5熱電偶應(yīng)盡可能保持垂直使用，以防高溫下保護(hù)管變形。若需水平安裝，插入深度不應(yīng)大于500mm,露出部分應(yīng)用架子托牢，使用一段時(shí)間后，應(yīng)將其旋轉(zhuǎn)180°;為防止熱電偶接線(xiàn)盒溫度過(guò)高，也可選用直角形熱電偶。
6.熱電偶保護(hù)管與爐壁之間的空隙應(yīng)使用耐火材料嚴(yán)密堵塞，以免空氣對(duì)流影響測(cè)溫的正確性。補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與接線(xiàn)盒接線(xiàn)孔之間的空隙也應(yīng)用石棉線(xiàn)塞緊，并使其朝下，以免污物落入。
7.用熱電偶測(cè)量爐溫時(shí)，應(yīng)避開(kāi)火焰的直接噴射，因火焰噴出處的溫度比爐內(nèi)實(shí)際溫度高且不穩(wěn)定。
8.測(cè)量低溫時(shí)，為減小熱電偶的熱惰性，可采用保護(hù)管開(kāi)口或無(wú)保護(hù)管的熱電偶。
9.使用期內(nèi)的熱電偶，應(yīng)經(jīng)常檢查熱電極和保護(hù)管是否良好，如果發(fā)現(xiàn)熱電偶表面有麻點(diǎn)、污潰、局部直徑變細(xì)或保護(hù)管表面腐蝕嚴(yán)重等現(xiàn)象，應(yīng)停止使用，并維修或更換新熱電偶。
四、熱電偶經(jīng)常引起誤差的原因.
1.安裝不當(dāng)引入的誤差
       如熱電偶安裝的位置及插入深度不能反映爐膛的真實(shí)溫度等，換句話(huà)說(shuō)，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門(mén)和加熱的地方，插入的深度至少應(yīng)為保護(hù)管直徑的8~10倍;熱電偶的保護(hù)套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使?fàn)t內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護(hù)管和爐壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對(duì)流而影響測(cè)溫的正確性;熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過(guò)100℃;熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開(kāi)強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng)，所以不應(yīng)把熱電偶和動(dòng)力電纜線(xiàn)裝在同-根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差;熱電偶不能安裝在被測(cè)介質(zhì)很少流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)用熱電偶測(cè)量管內(nèi)氣體溫度時(shí)，必須使熱電偶逆著流速方向安裝，而且充分與氣體接觸。
2.絕緣變差而引入的誤差
       如熱電偶絕緣了，保護(hù)管和拉線(xiàn)板污垢或鹽渣過(guò)多致使熱電偶極間與爐璧間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上百度。
3.熱情性引入的誤差
       由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測(cè)溫度的變化，在進(jìn)行快速測(cè)量時(shí)這種影響突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細(xì)，保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測(cè)溫環(huán)境許可時(shí)，甚至可將保護(hù)管取去。由于存在測(cè)量滯后，用熱電偶檢測(cè)出的溫度波動(dòng)的振幅較妒溫波動(dòng)的振幅小。測(cè)量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測(cè)溫或控溫時(shí)，儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小，但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了正確的測(cè)量溫度，應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比，如要減小時(shí)間常數(shù)，除增加傳熱系數(shù)以外，有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導(dǎo)熱性能好的材料，管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管。在較精密的溫度測(cè)量中，使用無(wú)保護(hù)套管的裸絲熱電偶，但熱電偶容易損壞，應(yīng)及時(shí)校正及更換。
4.熱阻誤差
       高溫時(shí)，如保護(hù)管上有--層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時(shí)溫度示值比被測(cè)溫度的真值低。因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔，以減小誤差。
五、熱電偶樸償導(dǎo)線(xiàn)
        熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測(cè)量中。如果了解了熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的原理、功能、作用方法和注意事項(xiàng),就能充分發(fā)揮熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的作用，否則就會(huì)適得其反。
某鋼管生產(chǎn)企業(yè)新引進(jìn)的-套球化爐裝置,裝置的二十多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)由于設(shè)備安裝人員將熱電偶正負(fù)極接反,且補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)還存在多接頭現(xiàn)象，再加.上設(shè)備使用人員對(duì)此知識(shí)的貧乏,在工作中因爐溫不正確導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)產(chǎn)品報(bào)廢,直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)一-百多萬(wàn)元，教訓(xùn)不可謂不深刻。
       實(shí)際上在眾多熱電偶測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)用曾通銅導(dǎo)線(xiàn)作連線(xiàn)的占40%,而使用補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)作連接線(xiàn)的僅占60%。究其原因有二:
一是由于熱電偶設(shè)備使用操作人員不了解補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)功能，認(rèn)為既然只要起到連接作用，普通導(dǎo)線(xiàn)即可。
二是設(shè)備制造商在安裝熱電偶時(shí),用的連接線(xiàn)即為普通導(dǎo)線(xiàn)，而在使用者角度總認(rèn)為設(shè)備安裝人員都是專(zhuān)業(yè)人員,做法總是正確的沒(méi)能引起應(yīng)有的懷疑。在工業(yè)生產(chǎn)中,雖然熱電偶作為溫度傳感器,已經(jīng)廣泛使用于溫度測(cè)量和控制人們對(duì)此也比較熟悉，但如果在使用中不注意正確的使用方法,就會(huì)給測(cè)溫和控溫造成很大的偏離,嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接造成經(jīng)濟(jì)損失,所以應(yīng)該引起重視。
補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)引起的誤差基本有以下3種情況:
1.熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)正負(fù)極與熱電偶接反
       如果將熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的正負(fù)極與熱電偶正負(fù)極接反,而熱電偶的正負(fù)極與DCS端子的正極連接是正確的。這種錯(cuò)誤在應(yīng)用中比較普遍,因?yàn)檫B接后,被控制對(duì)象的溫度變化趨勢(shì)與顯示儀表是--致的。加之目前熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)品很多標(biāo)注不規(guī)范,難以辨認(rèn):有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標(biāo)錯(cuò)。
        一般工業(yè)爐附近的溫度,至少比控制間的溫度高8℃。那么由此產(chǎn)生誤差正好是補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)補(bǔ)償值的2倍。對(duì)于K型偶,微分電勢(shì)值基本在40℃/(μV)左右測(cè)量溫度大約比實(shí)際溫度低16℃。如果控制溫度設(shè)定在600℃.實(shí)際溫度應(yīng)該在616℃C左右。
       從上面的分析可以看出，當(dāng)熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)正負(fù)極接反,不僅沒(méi)有起到補(bǔ)償作用,誤差比不接補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)還增加一倍,因此補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)在連接時(shí)一定要注意極性。
       如果不能確定熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)極性時(shí)可以取一-段補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),將--端絕緣去掉后擰在--起,放在熱水杯中,用普通萬(wàn)用表直流電壓量程低檔測(cè)量另--端的2根線(xiàn)，萬(wàn)用表上會(huì)顯示測(cè)量電壓的正負(fù),信號(hào)的正極為補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的正極。
2.使用的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)不對(duì)
       同種補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)配同種熱電偶,如果所選的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)種類(lèi)不對(duì),一樣產(chǎn)生誤差。假設(shè)使用S型熱電偶,選擇了K型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)KX,儀表測(cè)量溫度比實(shí)際溫度高。如果儀表控制在900℃時(shí),實(shí)際值只有875.1℃,誤差24.9℃。
       如果上述情況又將極性接反，儀表測(cè)量值偏高,儀表顯示900℃時(shí),實(shí)際溫度為933.2℃,誤差33.2℃。
3.補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與導(dǎo)線(xiàn)混用
        在實(shí)際應(yīng)用中,經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)由于補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)不夠長(zhǎng)用普通導(dǎo)線(xiàn)連接,或補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)斷后接上一段普通導(dǎo)線(xiàn),折合成溫度值與采用的何種熱電偶有關(guān)。通常廉金屬熱電偶的微分電勢(shì)要大于貴金屬熱電偶。因此上述影響折合成溫變,貴金屬熱電偶影響要大些。
六、補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)使用中注意事項(xiàng)
1.補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的選擇
       補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)一定嬰根據(jù)所使用的熱電偶種類(lèi)和所使用的場(chǎng)合進(jìn)行正確選擇。側(cè)如K型偶應(yīng)該選擇K型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),根據(jù)使用場(chǎng)合,選擇工作溫度范圍。通常KX工作溫度為-20-100℃,寬范圍的為-25-200℃。普通級(jí)誤差為±2.5℃,精密級(jí)為±1.5℃。
2.接點(diǎn)連接
       與熱電偶接線(xiàn)端2個(gè)接點(diǎn)盡可能近--點(diǎn)盡量保持2個(gè)接點(diǎn)溫度一致。與儀表接線(xiàn)端連接處盡可能溫度--致,儀表柜有風(fēng)扇的地方,接點(diǎn)處要保護(hù)不要使得風(fēng)扇直吹到接點(diǎn)。
3.使用長(zhǎng)度
       因?yàn)闊犭娕嫉男盘?hào)很低,為微伏級(jí)，如果使用的距離過(guò)長(zhǎng),信號(hào)的衰減和環(huán)境中強(qiáng)電的干擾偶合，足可以使熱電偶的信號(hào)失真造成測(cè)量和控制溫.度不正確，在控制中嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度波動(dòng)。
根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn),通常使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度控制在15米內(nèi)比較好,如果超過(guò)15米,建議使用溫度變送器進(jìn)行傳送信號(hào)。溫度變送器是將溫度對(duì)應(yīng)的電勢(shì)值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送,抗干擾強(qiáng)。
4.布線(xiàn)
       補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)布線(xiàn)-一定要遠(yuǎn)離動(dòng)力線(xiàn)和干擾源。在避免不了穿越的地方也盡可能采用交叉方式,不要平行。
5.屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)
       為了提高熱電偶連接線(xiàn)的抗干擾性,可以采用屏蔽補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)干擾源較多的場(chǎng)合.效果較好。但是一-定要將屏蔽層嚴(yán)格接地,否則屏蔽層不僅沒(méi)有起到屏蔽的作用,反而增強(qiáng)干擾。
七、總結(jié)
      熱電偶的廣泛應(yīng)用使現(xiàn)代的自動(dòng)化水平大幅度提高，合理有效的利用不同的熱電偶可以更真實(shí)更正確的顯現(xiàn)各種工業(yè)過(guò)程，熱電偶在電廠的廣泛應(yīng)用也促進(jìn)了火電廠自動(dòng)化水平的提高，合理應(yīng)用使機(jī)組運(yùn)行的更加穩(wěn)定安全，從而保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，也促進(jìn)了社會(huì)生產(chǎn)水平的提高。