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E型熱電偶動態(tài)特性研究

發(fā)布時間:2019-12-24     瀏覽次數(shù):
摘要:以E型熱電偶為研究對象,,采用溫度采集模塊、通過VisialBasic和DCONUtility軟件實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的自動采集,,完成了E型熱電偶的動態(tài)特性實驗,并使用MATLAB對實驗數(shù)據(jù)進行了可視化研究,,得出了該類型熱電偶在不同偶絲直徑,、不同插入深度以及不同被測溫度下的數(shù)學模型,為該類型熱電偶在火電廠安裝,、檢修時提供必要的理論基礎與實踐指導,。
1引言
       在火力發(fā)電廠中,雖然各類型溫度傳感器都有相應的安裝規(guī)范與技術(shù)要求,,但在施工過程中,,由于施工人員的不能嚴格按照要求進行安裝調(diào)試,經(jīng)常會出現(xiàn)溫度傳感器損壞、測量回路異常,、溫度信號的閾值設置不合理等現(xiàn)象的發(fā)生,,而這些故障或者事故的發(fā)生,往往會造成溫度信號突變引起保護對象的誤跳閘,,進而引起保護誤動作或拒動,,造成機組的非計劃減出力或停運,給電力系統(tǒng)帶來巨大損失,。由于上述問題的嚴重性,,國內(nèi)外不少技術(shù)人員和專家都對該類問題進行過相關的研究與分析,做過諸如對溫度傳感器進行靜態(tài)特性測試[1-2]的研究與分析,、校驗設計與測量數(shù)據(jù)處理[3-4]的討論,、同時也有對熱電偶的動態(tài)特性[5-6]進行實驗設計與研究、還有對該類問題進行過數(shù)學建模分析[7],。本文以E型熱電偶為例,,設計一套完整的動態(tài)實驗系統(tǒng),得出E型熱電偶測溫時,,相對誤差(精度)與插入深度,、時間常數(shù)以及偶絲直徑之間的關系,并且建立了對應的數(shù)學模型,,為該類型熱電偶在火電廠安裝,、檢修、維護時提供必要的理論依據(jù)與實踐指導,。
2實驗設計
2.1實驗設備
如表1所示,。

2.2實驗系統(tǒng)
       如圖1所示,設計該實驗系統(tǒng),。

       該實驗系統(tǒng)包括校驗儀(作為標準熱源),、E型熱電偶、熱電偶信號采集模塊,、轉(zhuǎn)換模塊,、電源和工控機,工控機通過RS-232串口與轉(zhuǎn)換模塊I-7520,、采集模塊I-7018,、校驗儀相連,由于熱電偶的使用溫度受材料規(guī)格和直徑的影響,,因此,,K型熱電偶的長度為15cm,直徑為2~5mm,,電源為DR-75-24開關電源,,范圍為10V~30V,,電源供應器的額定功率大于整個系統(tǒng)的消耗功率的總和。
2.3實驗步驟
1)開啟電源,,啟動干式爐升溫,;運行應用程序,設定被測溫度和采集時間,,選擇接收端口和采集周期,;當干式爐升溫至設定溫度并穩(wěn)定時,將熱電偶快速(形成類似于階躍信號的輸入)插入干式爐中,,同時點擊工控機界面上的“開始采集”按鈕,,實驗開始;
2)在實驗過程中,,保持熱電偶固定,,直到響應曲線平穩(wěn),點擊工控機界面上的“停止采集”按鈕,,將熱電偶取出,,點擊工控機界面上的“保存數(shù)據(jù)”按鈕,保存實驗數(shù)據(jù)和圖像,;
3)當熱電偶冷卻至室溫后,,分別改變熱電偶插入干式爐中的深度、干式爐的設定溫度和熱電偶的直徑,,重復步驟1)和步驟2),,獲得熱電偶的插入深度、溫度和直徑的階躍響應曲線,,建立在不同熱電偶直徑條件下,,相對誤差與插入深度和溫度之間的數(shù)學關系式,、時間常數(shù)與插入深度和溫度之間的數(shù)學關系式,;從而很直觀的看出熱電偶插入深度、直徑對熱電偶測溫性能的影響,,對火力發(fā)電廠中不同的測溫部位選擇合理的熱電偶溫度傳感器,,以實現(xiàn)溫度滯后的最小化有著一定的指導性作用。
2.4動態(tài)特性響應曲線
       根據(jù)上述實驗步驟,,分別做了直徑¢=2mm,、¢=3mm、¢=4mm,、¢=5mm,,溫度點從室溫分別到100℃、200℃,、300℃,、400℃時,,插入深度與所測溫度之間的階躍響應曲線。
下面取一組實驗數(shù)據(jù),,當溫度為300℃時,,熱電偶的偶絲直徑、插入深度與被測溫度之間的階躍響應曲線,,如圖2(a-d)所示,。
從上述四組圖像中可以看出:
1)階躍響應曲線趨勢一致;
2)熱電偶的偶絲直徑為過小時(¢=2mm),,熱電偶的階躍曲線容易出現(xiàn)波動,,誤差比較大;
3)當¢=4mm,、5mm時,,插入深度為2cm已經(jīng)不符合其安裝規(guī)范,其響應曲線異于正常曲線,,所測數(shù)據(jù)為錯誤數(shù)據(jù),;
4)時間常數(shù)隨著溫度階躍變化量的增大,先呈現(xiàn)上升趨勢,,而后下降,。
本次實驗工作,完成了偶絲直徑¢=2mm,、¢=3mm,、¢=4mm、¢=5mm,,溫度點從100℃,、200℃、300℃,、400℃的階躍實驗,,所有這些實驗數(shù)據(jù)趨勢一致,與上面圖例類似,,由于篇幅所限,,本文只選擇其中一組進行分析與說明。

3數(shù)學建模
       通過接口程序,,將Excel表中的幾千組實驗數(shù)據(jù)以數(shù)組方式讀入MATLAB軟件中,,利用MAT-LAB強大的數(shù)據(jù)可視化功能進行擬合,得出下列公式,。
3.1精度與被測溫度及插入深度的關系
       基于上述動態(tài)實驗測試方案,,對相對誤差(精度)與被測溫度以及插入深度進行了數(shù)學建模,如表2所示,。

       其中,,cN—¢=N(mm)時,,E型熱電偶測量時的相對誤差;bN—¢=N(mm)時,,被測溫度,;dN—¢=N(mm)時,E型熱電偶的插入深度,;N=2,,3,4,,5,。
通過Matlab軟件進行了可視化研究,如圖3(a-d)所示,。

4.2時間常數(shù)與被測溫度及插入深度的關系
       熱電偶的時間常數(shù)[8-9]也歷來是一個研究重點,,本文基于上述動態(tài)實驗測試方案,對時間常數(shù)與被測溫度以及插入深度進行了數(shù)學建模如下表3所示,。

       其中,,eN———¢=N(mm)時,K型熱電偶的時間常數(shù),;bN———¢=N(mm)時,,被測溫度;dN———¢=N(mm)時,,K型熱電偶的插入深度通過Matlab軟件進行了可視化研究,,如圖4(a-d)所示

4.3驗證
      為了驗證表2和表3所示的數(shù)學模型的正確性,取一支¢=4mm的K型熱電偶作為待測熱電偶進行實驗,,測量溫度分別為100℃,、200℃、300℃,、400℃,,插入深度分別為2cm、6cm,、8cm,、10cm,、14cm進行了數(shù)據(jù)采集如表4所示,。
  
       將上述數(shù)據(jù)帶入上述相應數(shù)學表達式,計算E型待測熱電偶的精度,,符合其精度要求,,說明上述數(shù)學模型可以方便快捷地驗證所選熱電偶精度、粗細,、安裝等是否合理,,為電力生產(chǎn)過程中的E型熱電偶的選型,、安裝提供了一定的理論與實驗依據(jù)。
5結(jié)論
       綜上,,本文以E型熱電偶為研究對象,,對直徑為¢=2mm、¢=3mm,、¢=4mm,、¢=5mm的熱電偶通過階躍響應實驗完成了數(shù)學模型的可視化研究,并驗證了該數(shù)學模型的正確性,,得出以下四點結(jié)論:
1)插入深度對測量誤差的影響尤為明顯,,對于本文所用E型熱電偶,其插入深度要求為直徑的15~20倍,,而文中熱電偶插入深度為2cm時,,不符合安裝規(guī)范,其相對誤差也較大,。
2)插入深度與相對誤差并不成線性關系,,而是相對誤差隨著插入深度先減小,后增大,。
3)在允許測量范圍內(nèi),,熱電偶測量的相對誤差隨著被測溫度的升高而降低。
4)熱電偶直徑越小,,顯示溫度越容易出現(xiàn)波動,,越容易產(chǎn)生誤差,對于系統(tǒng)穩(wěn)定是不利的,。
5)熱電偶直徑越小,,時間常數(shù)越小,;該熱電偶的時間常數(shù)隨溫度階躍變化量的增大,,先呈上升趨勢,而后又有所下降,,隨后呈現(xiàn)較大幅回升,,預測變化趨勢為隨溫度階躍變化量逐漸升高。
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