E型熱電偶動(dòng)態(tài)特性研究
發(fā)布時(shí)間:2019-12-24
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摘要:以
E型熱電偶為研究對(duì)象,,采用溫度采集模塊,、通過VisialBasic和DCONUtility軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集,完成了E型熱電偶的動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn),,并使用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)溫度下的數(shù)學(xué)模型,,為該類型熱電偶在火電廠安裝,、檢修時(shí)提供必要的理論基礎(chǔ)與實(shí)踐指導(dǎo)。
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(yīng)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(yán)格按照要求進(jìn)行安裝調(diào)試,,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)溫度傳感器損壞,、測(cè)量回路異常、溫度信號(hào)的閾值設(shè)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(huì)造成溫度信號(hào)突變引起保護(hù)對(duì)象的誤跳閘,進(jìn)而引起保護(hù)誤動(dòng)作或拒動(dòng),,造成機(jī)組的非計(jì)劃減出力或停運(yùn),,給電力系統(tǒng)帶來巨大損失。由于上述問題的嚴(yán)重性,,國內(nèi)外不少技術(shù)人員和專家都對(duì)該類問題進(jìn)行過相關(guān)的研究與分析,,做過諸如對(duì)溫度傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性測(cè)試[1-2]的研究與分析、校驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)量數(shù)據(jù)處理[3-4]的討論,、同時(shí)也有對(duì)
熱電偶的動(dòng)態(tài)特性[5-6]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究,、還有對(duì)該類問題進(jìn)行過數(shù)學(xué)建模分析[7]。本文以E型熱電偶為例,,設(shè)計(jì)一套完整的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),,得出E型熱電偶測(cè)溫時(shí),,相對(duì)誤差(精度)與插入深度、時(shí)間常數(shù)以及偶絲直徑之間的關(guān)系,,并且建立了對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,,為該類型熱電偶在火電廠安裝、檢修,、維護(hù)時(shí)提供必要的理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo),。
2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備
如表1所示。

2.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
如圖1所示,,設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),。

該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括校驗(yàn)儀(作為標(biāo)準(zhǔn)熱源)、E型熱電偶,、熱電偶信號(hào)采集模塊,、轉(zhuǎn)換模塊、電源和工控機(jī),,工控機(jī)通過RS-232串口與轉(zhuǎn)換模塊I-7520,、采集模塊I-7018、校驗(yàn)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(guān)電源,范圍為10V~30V,,電源供應(yīng)器的額定功率大于整個(gè)系統(tǒng)的消耗功率的總和,。
2.3實(shí)驗(yàn)步驟
1)開啟電源,啟動(dòng)干式爐升溫,;運(yùn)行應(yīng)用程序,,設(shè)定被測(cè)溫度和采集時(shí)間,選擇接收端口和采集周期,;當(dāng)干式爐升溫至設(shè)定溫度并穩(wěn)定時(shí),,將熱電偶快速(形成類似于階躍信號(hào)的輸入)插入干式爐中,同時(shí)點(diǎn)擊工控機(jī)界面上的“開始采集”按鈕,,實(shí)驗(yàn)開始,;
2)在實(shí)驗(yàn)過程中,保持熱電偶固定,,直到響應(yīng)曲線平穩(wěn),,點(diǎn)擊工控機(jī)界面上的“停止采集”按鈕,將熱電偶取出,點(diǎn)擊工控機(jī)界面上的“保存數(shù)據(jù)”按鈕,,保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖像,;
3)當(dāng)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(shè)定溫度和熱電偶的直徑,,重復(fù)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(yīng)曲線,建立在不同熱電偶直徑條件下,,相對(duì)誤差與插入深度和溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,、時(shí)間常數(shù)與插入深度和溫度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式;從而很直觀的看出熱電偶插入深度,、直徑對(duì)熱電偶測(cè)溫性能的影響,,對(duì)火力發(fā)電廠中不同的測(cè)溫部位選擇合理的熱電偶溫度傳感器,以實(shí)現(xiàn)溫度滯后的最小化有著一定的指導(dǎo)性作用,。
2.4動(dòng)態(tài)特性響應(yīng)曲線
根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)步驟,,分別做了直徑¢=2mm、¢=3mm,、¢=4mm,、¢=5mm,溫度點(diǎn)從室溫分別到100℃,、200℃,、300℃、400℃時(shí),,插入深度與所測(cè)溫度之間的階躍響應(yīng)曲線,。
下面取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),當(dāng)溫度為300℃時(shí),,熱電偶的偶絲直徑,、插入深度與被測(cè)溫度之間的階躍響應(yīng)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(yīng)曲線趨勢(shì)一致,;
2)熱電偶的偶絲直徑為過小時(shí)(¢=2mm),熱電偶的階躍曲線容易出現(xiàn)波動(dòng),,誤差比較大,;
3)當(dāng)¢=4mm、5mm時(shí),,插入深度為2cm已經(jīng)不符合其安裝規(guī)范,,其響應(yīng)曲線異于正常曲線,所測(cè)數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù);
4)時(shí)間常數(shù)隨著溫度階躍變化量的增大,,先呈現(xiàn)上升趨勢(shì),,而后下降。
本次實(shí)驗(yàn)工作,,完成了偶絲直徑¢=2mm,、¢=3mm、¢=4mm,、¢=5mm,,溫度點(diǎn)從100℃、200℃,、300℃,、400℃的階躍實(shí)驗(yàn),所有這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)趨勢(shì)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(jìn)行分析與說明,。

3數(shù)學(xué)建模
通過接口程序,,將Excel表中的幾千組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以數(shù)組方式讀入MATLAB軟件中,利用MAT-LAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能進(jìn)行擬合,,得出下列公式,。
3.1精度與被測(cè)溫度及插入深度的關(guān)系
基于上述動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案,對(duì)相對(duì)誤差(精度)與被測(cè)溫度以及插入深度進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,,如表2所示,。

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

4.2時(shí)間常數(shù)與被測(cè)溫度及插入深度的關(guān)系
熱電偶的時(shí)間常數(shù)[8-9]也歷來是一個(gè)研究重點(diǎn),,本文基于上述動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)測(cè)試方案,,對(duì)時(shí)間常數(shù)與被測(cè)溫度以及插入深度進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模如下表3所示。

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

4.3驗(yàn)證
為了驗(yàn)證表2和表3所示的數(shù)學(xué)模型的正確性,,取一支¢=4mm的K型熱電偶作為待測(cè)熱電偶進(jìn)行實(shí)驗(yàn),,測(cè)量溫度分別為100℃、200℃,、300℃,、400℃,插入深度分別為2cm,、6cm、8cm,、10cm,、14cm進(jìn)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(yīng)數(shù)學(xué)表達(dá)式,,計(jì)算E型待測(cè)熱電偶的精度,,符合其精度要求,說明上述數(shù)學(xué)模型可以方便快捷地驗(yàn)證所選熱電偶精度,、粗細(xì),、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(shí)驗(yàn)依據(jù),。
5結(jié)論
綜上,本文以E型熱電偶為研究對(duì)象,,對(duì)直徑為¢=2mm,、¢=3mm、¢=4mm,、¢=5mm的熱電偶通過階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)完成了數(shù)學(xué)模型的可視化研究,,并驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的正確性,得出以下四點(diǎn)結(jié)論:
1)插入深度對(duì)測(cè)量誤差的影響尤為明顯,,對(duì)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(shí),,不符合安裝規(guī)范,,其相對(duì)誤差也較大。
2)插入深度與相對(duì)誤差并不成線性關(guān)系,而是相對(duì)誤差隨著插入深度先減小,,后增大,。
3)在允許測(cè)量范圍內(nèi),熱電偶測(cè)量的相對(duì)誤差隨著被測(cè)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(dòng),越容易產(chǎn)生誤差,,對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定是不利的,。
5)熱電偶直徑越小,時(shí)間常數(shù)越??;該熱電偶的時(shí)間常數(shù)隨溫度階躍變化量的增大,先呈上升趨勢(shì),,而后又有所下降,,隨后呈現(xiàn)較大幅回升,預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)為隨溫度階躍變化量逐漸升高,。