熱電偶在高線廠加熱爐的應(yīng)用

[摘要]溫度測量應(yīng)用中，熱電偶因其測溫范圍廣、可靠性以及較快的響應(yīng)速度得到了普遍應(yīng)用。本文討論了熱電偶的基本工作原理，包括參考端(冷端)的定義和功能,還給出了補(bǔ)償導(dǎo)線類型,以及熱電偶在高線廠加熱爐的具體應(yīng)用。
前言
      溫度測量應(yīng)用中有多種類型的測溫元件，熱電偶是常用的一種，廣泛用于石油、冶金等領(lǐng)域的工業(yè)控制。與RTD、電熱調(diào)節(jié)器、溫度檢測集成電路(IC)相比，熱電偶優(yōu)點是:
①測量精度高。
②測量范圍廣。
③構(gòu)造簡單，使用方便。

      在高線廠熱電偶用來測量加熱爐各個階段的不同溫度，對加熱爐燃控系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用，同時也是控制節(jié)能降耗的一個重要依據(jù)。
1、熱電偶工作原理
      熱電偶是差分溫度測量器件，它由兩段不同成分(金屬/合金)的導(dǎo)體焊接而成,一段用作正端,另一段用作負(fù)端。兩種不同類型的金屬接焊接在-起后形成兩個結(jié)點，如圖la所示，環(huán)路電壓是兩個結(jié)點溫差的函數(shù)。這種現(xiàn)象稱為Seebeck(塞貝克)效應(yīng)，。圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測端(熱端)結(jié)電壓與參考端(冷端)結(jié)電壓之差。因為VH和VC是由兩個結(jié)的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數(shù)。α為定標(biāo)因數(shù)，對應(yīng)于電壓差與溫差之比，稱為Seebeck系數(shù)。
      圖lb所示是一種常見的熱電偶應(yīng)用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的節(jié)點。本例中，每個開路端與銅線電氣連接，這些連線為系統(tǒng)增加了兩個額外節(jié)點，只要這兩個節(jié)點溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨立參考結(jié)點的條件下使用。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱端的實際溫度，冷端溫度必須是已知的。
冷端溫度為0℃(冰點)時是一種簡單的情況，如果TC=0℃,則VOUT=VH。利用冰點作為參考點，通過查找相關(guān)類型熱電偶電壓特征數(shù)據(jù)與溫度對應(yīng)關(guān)系表格中的VH,就可以確定熱端溫度。
2、冷端補(bǔ)償
      在熱電偶應(yīng)用初期,冰點被當(dāng)作熱電偶的標(biāo)準(zhǔn)參考點，但在大多數(shù)應(yīng)用中獲得-一個冰點參考溫度不太現(xiàn)實。如果冷端溫度不是0℃,那么，為了確定實際熱端溫度必須已知冷端溫度?？紤]到非零冷端溫度的電壓，必需對熱電偶輸出電壓進(jìn)行補(bǔ)償，既所謂的冷端補(bǔ)償。
      如上所述，為了實現(xiàn)冷端補(bǔ)償，必須確定冷端溫度，這可以通過任何類型的溫度檢測器件實現(xiàn)。在通用的溫度傳感器IC、電熱調(diào)節(jié)器和RTD中，不同類型的器件具有不同的優(yōu)、缺點，需根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇。
      對于精度要求非常高的器件,經(jīng)過校準(zhǔn)的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內(nèi)保持較精度高，但其成本很高。精度要求不是很高時，熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性價比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測溫范圍，而傳感器IC具有更高的線性度,因而性能指標(biāo)更好--些。修正熱敏電阻的非線性會占用較多的微控制器資源。溫度傳感器IC具有出色的線性度，但測溫范圍很窄。
總之，必需根據(jù)系統(tǒng)的實際需求選擇冷端溫度測量器件，需要仔細(xì)考慮精度、溫度范圍、成本和線性指標(biāo)，以便得到性價比。
3、熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度的數(shù)學(xué)計算方法
      一旦建立了冷端補(bǔ)償方法，補(bǔ)償輸出電壓必須轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度。一種簡單的方法既是使用NBS(美國國家標(biāo)準(zhǔn)局)提供的查找表，用軟件實現(xiàn)查找表需要存儲器，查找表對于連續(xù)的重復(fù)查詢提供了一種快速、的測量方案。將熱電偶電壓轉(zhuǎn)換成溫度值的另外兩種方案比查找表復(fù)雜一些，這兩種方法是:
(1)利用多項式系數(shù)進(jìn)行線性逼近;
      軟件線性通近只是需要預(yù)先確定多項式系數(shù)，不需要存儲，因而是一種更通用的方案。缺點是需要較長時間解多階多項式，多項式階數(shù)越高，處理時間越長，特別是在溫度范圍較寬的情況下。多項式階數(shù)較高時，查找表相對提供了一種精度更高、更有效溫度測量方案。
(2)對熱電偶輸出信號進(jìn)行模擬線性化處理。
      出現(xiàn)軟件測試方案之前，模擬線性化常被用來將測量電壓轉(zhuǎn)換成溫度值(除了人工查找表檢索外)。這種基于硬件的方法利用模擬電路修正熱電偶響應(yīng)的非線性。其精度取決于修正通近多項式的階數(shù)，在目前能夠測試熱電偶信號的萬用表中仍采用這種方法.
4、熱電偶的種類、結(jié)構(gòu)、補(bǔ)償導(dǎo)線及變質(zhì)判斷
      常用熱電偶可分為標(biāo)準(zhǔn)熱電偶和非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶兩大類。標(biāo)準(zhǔn)熱電偶是指國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶在使用范圍或數(shù)量級上均不及標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶，一般也沒有統(tǒng)--的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，并指定s、b、e、k、r、j、t七種標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶為我國統(tǒng)一設(shè)計型熱電偶。
為了保證熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，對熱電偶的結(jié)構(gòu)要求如下:
①組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固;
②兩個熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路;
③補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
④保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
      由于熱電偶是由貴金屬制成的，它的長度有限，在實際測溫時，常將冷端放置到一-個溫度比較恒定的場所。通常采用-種廉價金屬導(dǎo)線，來代替熱電偶，將電極加長，使冷端延伸，這種導(dǎo)線稱為補(bǔ)償導(dǎo)線。不同分度號的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢不同，只有當(dāng)補(bǔ)償導(dǎo)線的特性與熱電偶--致，才能起到補(bǔ)償作用。在使用熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃.
      熱電偶為S型和K型熱電偶，所以所選補(bǔ)償導(dǎo)線為SC和KC型銅-銅鎳補(bǔ)償導(dǎo)線。
      熱電偶經(jīng)一-段時間使用，由于熱電極變質(zhì)，熱電勢可能發(fā)生變化、判斷熱電偶變質(zhì)的方法是:根據(jù)熱電偶的色變程度就可以判斷。例如:鉑銠一鉑熱電偶的熱電極呈灰白色，有少量光澤，則說明有輕度變質(zhì);呈現(xiàn)乳白色而沒有光澤，則為中度變質(zhì);呈現(xiàn)黃色或硬化，則為較嚴(yán)重變質(zhì);呈黃色、變脆、有麻面時，則變質(zhì)嚴(yán)重。由于鉑銠和鉑是貴重金屬材料，對變質(zhì)的電極可以用清洗和退火處理來回收使用。又例如鎳鉻--鎳鋁熱電偶的熱電極，變質(zhì)時，由于程度不同，分別呈現(xiàn)白色、黃色、綠色等。對于變質(zhì)的鎳鉻一鎳鋁熱電偶，一般是剪去變質(zhì)部分，重新焊接使用。
5、熱電偶在高線廠加熱爐的使用
5.1西門子PLC模擬量輸入通道測量方法和量程選擇
設(shè)定模塊測量方法和測量范圍主要用STEP7和量程卡。
量程卡可以設(shè)定為一下設(shè)置“A”、“B”、“C"和“D”。其中各字母含義為:“A”為熱電阻、熱電偶;“B”為電壓;“C”為四線制電流;“D”為二線制電流。
5.2有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)臒犭娕歼M(jìn)行接線和連接
      我廠設(shè)計選用AI模板為SM331AI8XTC(6ES7331-7PF11-0AB0)，此模板為電氣隔離型熱電偶測量專用模板，有內(nèi)部補(bǔ)償和外補(bǔ)償功能可選。本單位熱電偶與AI模板連接方式采用如圖2所示為內(nèi)部補(bǔ)償連接方式。

      入模塊的端子.上建立參考點。在這種情況下，將補(bǔ)償線路直接連接到模擬量模塊.上。內(nèi)部溫度傳感器會測量模塊的溫度并返回補(bǔ)償電壓。注意，內(nèi)部補(bǔ)償沒有外部補(bǔ)償正確。
      將熱電偶直接連接到模塊的輸入端，或者通過補(bǔ)償線路間接連接到模塊輸入上。每個通道組都可以使用模擬量模塊支持的各個類型的熱電偶，而與其它通道組無關(guān)。對帶內(nèi)部補(bǔ)償?shù)臒犭娕歼M(jìn)行接線，并連接到電氣隔離模擬量輸入。
5.3不同參比接點溫度補(bǔ)償方法的連接方式

每個熱電偶的饋線中帶補(bǔ)償盒的外部補(bǔ)償(接線和連接如圖對帶補(bǔ)償盒的熱電偶進(jìn)行接線并連接到電氣隔離模擬量輸入和對帶參比接點的熱電偶進(jìn)行接線并連接到電氣隔離模擬量輸入)

使用各個熱電偶的饋線中彼此互連的補(bǔ)償盒測量并補(bǔ)償參比接點溫度(熱電偶外部比較)。，無需對模塊的信號做進(jìn)一步處理。

      僅適用于SM331AI8xTC，可以用(鉑或鎳)電阻溫度計帶有用于記錄參比接點溫度的測量參考溫度，并計算模塊電阻溫度計的外部補(bǔ)償中熱電偶的溫度。
5.4熱電偶在STEP7軟件中的設(shè)置與處理
STEP7軟件中，在硬件組態(tài)時熱電偶模板SM3318XTC需要設(shè)置每個通道的參考端補(bǔ)償方式，其選項有以下四種:
1)TC-IL:線性、內(nèi)部比較(內(nèi)部冷端補(bǔ)償，即內(nèi)部傳感器測溫)
2)TC-EL:線性、外部比較(外部冷端補(bǔ)償，即外接熱電阻或溫度補(bǔ)償盒)
3)TC-L00℃:(熱電偶，線性，0℃參考溫度)
4)TC-L50℃:(熱電偶，線性，50℃參考溫度)我廠所用熱電偶為S型和K型兩種，采用TC-IL補(bǔ)償方式。
SM331AI8xTC的三種工作模式:
a)8通道硬件濾波器:是最慢的工作模式，更新時間為190ms。噪聲抑制會影響所有的干擾頻率(50Hz、60Hz和400Hz)，可以使用8個通道。
b)8通道軟件濾波器:可根據(jù)設(shè)置的干擾頻率抑制參數(shù)(50Hz或60Hz或400Hz)提供90dB的噪聲抑制。被分配為參數(shù)的干擾頻率會影響更新時間(由所有通道組的最小設(shè)置干擾頻率確定)，更新時間為166ms。
c)4通道硬件濾波器:是最快的工作模式，更新時間為10ms。噪聲抑制會影響所有的干擾頻率(50Hz、60Hz和400Hz)，但是只能使用4個通道(每個組-一個通道)。
通過設(shè)置可以在短更新時間和高干擾頻率抑制之間取得平衡。濾波度越高，數(shù)字過濾器的時間常數(shù)越大，抗干擾能力越強(qiáng)，但相應(yīng)信號的微小變化也可能被過濾，因此應(yīng)根據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置。
6、結(jié)束語
      熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如，線性特性較差。雖然它們與RTD、溫度傳感器IC相比可以測量更寬的溫度范圍，但線性度卻大打折扣。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可理想用于正確測量系統(tǒng)。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高分辨率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理。如果排除上述問題，熱電偶易使用、寬溫度范圍使其得到廣泛使用。