淺談熱電偶在火電中的使用

摘要:本文簡述了熱電偶的原理及各種熱電偶常用的型號,，并說明了使用的注意事項和誤差產(chǎn)生的原因,，同時闡述了熱電偶補償導(dǎo)線的使用的注意事項和誤.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,，再將其兩個接點分別置于溫度各為T及T0的熱源中，則在該回路內(nèi)即可產(chǎn)生熱電動勢,，亦稱熱電勢,，這種現(xiàn)象叫做熱電效應(yīng)。而溫差電勢則是在同--導(dǎo)體的兩端因其溫度不同而產(chǎn)生的一種熱電勢,。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電荷,，從而形成-一個靜電場,。這樣在導(dǎo)體兩端便產(chǎn)生一個相應(yīng)的電位差即溫差電勢。這樣在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)線,，只要第三種導(dǎo)線兩端溫度相同,，則第三種導(dǎo)線引入不會影響熱電偶的電動勢。根據(jù)此性質(zhì),，在回路中引入各種儀表,、連接導(dǎo)線等，不用擔心對熱電偶的影響,，所以也可采用焊接法制成熱電偶,。
二、常用熱電偶的簡介
現(xiàn)在我常用的熱電偶主要有以下兒種類型:
1.鉑銠10-鉑熱電偶(S型,，也稱為單鉑銠熱電偶)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,，負極為純鉑;它的特點是:熱電性能穩(wěn)定、抗氧化性強,、宜在氧化性氣氛中連續(xù)使用,、長期使用溫度可達1300℃，超達1400℃時,，即使在空氣中,、純鉑絲也將會再結(jié)晶，使晶粒粗大而斷裂;精度高,，它是在所有熱電偶中,，準精度等級高的，通常用作標準或測量較高的溫度;使用范圍較廣,，均勻性及互換性好;主要缺點有:微分熱電勢較小,，因而靈敏度較低;價格較貴，機械強度低,，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，負極為含硅3%的鎳硅合金(有些國家的產(chǎn)品負極為純鎳)?？蓽y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℃,長期使用溫度為1000℃，其熱電勢與溫度的關(guān)系近似線性,，價格便宜,，是目前用量最大的熱電偶。K型熱電偶是抗氧化性較強的賤金屬熱電偶,，不適宜在真空,、含硫、含碳氣氛及氧化還原交替的氣氛下裸絲使用;當氧分壓較低時,，鎳鉻極中的鉻將擇優(yōu)氧化,，使熱電勢發(fā)生很大變化，但金屬氣體對其影響較小,，因此,，多采用金屬制保護管。
K型熱電偶的缺點
       熱電勢的高溫穩(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，在升溫降溫過程中,，其熱電勢示值不-一樣,，其差值可達2~3℃;負極在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,，尤其是在磁場中使用時往往出現(xiàn)與時間無關(guān)的熱電勢干擾;長期處于高通量中系統(tǒng)輻照環(huán)境下,，由于負極中的錳(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是:在1300℃以下調(diào)溫抗氧化能力強，長期穩(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性比K型偶要好;但在低溫范圍內(nèi)(-200~400℃)的非線性誤差較大，同時,，材料較硬難于加工,。
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，負極為含銠6%的鉑銠合金,，在室溫下,，其熱電勢很小，故在測量時一般不用補償導(dǎo)線，可忽略冷端溫度變化的影響;長期使用溫度為1600℃,，短期為1800℃,因熱電勢較小,，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-鉑熱電偶負極上所有的缺點,、在高溫時很少有大結(jié)晶化的趨勢,，且具有較大的機械強度;同時由于它對于雜質(zhì)的吸收或銠的遷移的影響較少，因此經(jīng)過長期使用后其熱電勢變化并不嚴重,、缺點價格昂貴,。
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，負極為銅鎳合金(也稱康銅),，其主要特點是: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,，一般不能超過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特點是價格便宜,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，負極為康銅(銅鎳合金),，具特點是價格便宜,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,，因為超過這個溫度后,，鐵熱電極的氧化速率加快，如采用粗線徑的絲材,，尚可在高溫中使用且.有較長的壽命;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
       如果熱電偶安裝和使用不當,，不但會增大測量誤差，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,。由于加熱爐內(nèi)溫度分布不均勻,，熱電偶測得的又是局部區(qū)域的溫度，因此應(yīng)選擇合適的測量點安放熱電偶,。通?？蓪犭娕及惭b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)盡可能離開強電磁場,，以免測溫儀表引入附加干擾信號。
3.熱電偶插入爐膛的深度應(yīng)不小于熱電偶保護管外徑的8~10倍,，熱端應(yīng)盡可能靠近工件,，但必須保證裝卸工件時不損壞熱電偶。
4.熱電偶的接線盒不應(yīng)緊靠爐壁,，以免其冷端溫度過高,。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,，使用一段時間后,，應(yīng)將其旋轉(zhuǎn)180°;為防止熱電偶接線盒溫度過高，也可選用直角形熱電偶,。
6.熱電偶保護管與爐壁之間的空隙應(yīng)使用耐火材料嚴密堵塞,，以免空氣對流影響測溫的正確性。補償導(dǎo)線與接線盒接線孔之間的空隙也應(yīng)用石棉線塞緊,，并使其朝下,，以免污物落入。
7.用熱電偶測量爐溫時,，應(yīng)避開火焰的直接噴射,，因火焰噴出處的溫度比爐內(nèi)實際溫度高且不穩(wěn)定。
8.測量低溫時,，為減小熱電偶的熱惰性,，可采用保護管開口或無保護管的熱電偶。
9.使用期內(nèi)的熱電偶,，應(yīng)經(jīng)常檢查熱電極和保護管是否良好,，如果發(fā)現(xiàn)熱電偶表面有麻點、污潰,、局部直徑變細或保護管表面腐蝕嚴重等現(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溫度等，換句話說,，熱電偶不應(yīng)裝在太靠近門和加熱的地方,，插入的深度至少應(yīng)為保護管直徑的8~10倍;熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使爐內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護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流而影響測溫的正確性;熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃;熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強磁場和強電場,，所以不應(yīng)把熱電偶和動力電纜線裝在同-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介質(zhì)很少流動的區(qū)域內(nèi),，當用熱電偶測量管內(nèi)氣體溫度時，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，保護管和拉線板污垢或鹽渣過多致使熱電偶極間與爐璧間絕緣不良,，在高溫下更為嚴重,，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度,。
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溫度的變化,，在進行快速測量時這種影響突出。所以應(yīng)盡可能采用熱電極較細,，保護管直徑較小的熱電偶,。測溫環(huán)境許可時，甚至可將保護管取去,。由于存在測量滯后,，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較妒溫波動的振幅小。測量滯后越大,，熱電偶波動的振幅就越小,，與實際爐溫的差別也就越大。當用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時,，儀表顯示的溫度雖然波動很小,，但實際爐溫的波動可能很大。為了正確的測量溫度,，應(yīng)當選擇時間常數(shù)小的熱電偶,。時間常數(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)徑小的保護套管,。在較精密的溫度測量中，使用無保護套管的裸絲熱電偶,，但熱電偶容易損壞,，應(yīng)及時校正及更換。
4.熱阻誤差
       高溫時,，如保護管上有--層煤灰,，塵埃附在上面，則熱阻增加,，阻礙熱的傳導(dǎo),，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此,，應(yīng)保持熱電偶保護管外部的清潔,，以減小誤差。
五,、熱電偶樸償導(dǎo)線
        熱電偶補償導(dǎo)線已經(jīng)廣泛用于熱電偶溫度測量中,。如果了解了熱電偶補償導(dǎo)線的原理、功能,、作用方法和注意事項,就能充分發(fā)揮熱電偶補償導(dǎo)線的作用,，否則就會適得其反。
某鋼管生產(chǎn)企業(yè)新引進的-套球化爐裝置,裝置的二十多個測溫點由于設(shè)備安裝人員將熱電偶正負極接反,且補償導(dǎo)線還存在多接頭現(xiàn)象,，再加.上設(shè)備使用人員對此知識的貧乏,在工作中因爐溫不正確導(dǎo)致爐內(nèi)產(chǎn)品報廢,直接經(jīng)濟損失達一-百多萬元,，教訓(xùn)不可謂不深刻。
       實際上在眾多熱電偶測溫現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)用曾通銅導(dǎo)線作連線的占40%,而使用補償導(dǎo)線作連接線的僅占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償導(dǎo)線功能,，認為既然只要起到連接作用，普通導(dǎo)線即可,。
二是設(shè)備制造商在安裝熱電偶時,用的連接線即為普通導(dǎo)線,，而在使用者角度總認為設(shè)備安裝人員都是專業(yè)人員,做法總是正確的沒能引起應(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)廣泛使用于溫度測量和控制人們對此也比較熟悉,，但如果在使用中不注意正確的使用方法,就會給測溫和控溫造成很大的偏離,嚴重時會直接造成經(jīng)濟損失,所以應(yīng)該引起重視,。
補償導(dǎo)線引起的誤差基本有以下3種情況:
1.熱電偶補償導(dǎo)線正負極與熱電偶接反
       如果將熱電偶補償導(dǎo)線的正負極與熱電偶正負極接反,而熱電偶的正負極與DCS端子的正極連接是正確的。這種錯誤在應(yīng)用中比較普遍,因為連接后,被控制對象的溫度變化趨勢與顯示儀表是--致的,。加之目前熱電偶補償導(dǎo)線產(chǎn)品很多標注不規(guī)范,難以辨認:有些甚至是生產(chǎn)廠家將顏色標錯,。
        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)生誤差正好是補償導(dǎo)線補償值的2倍,。對于K型偶,微分電勢值基本在40℃/(μV)左右測量溫度大約比實際溫度低16℃,。如果控制溫度設(shè)定在600℃.實際溫度應(yīng)該在616℃C左右,。
       從上面的分析可以看出，當熱電偶補償導(dǎo)線正負極接反,不僅沒有起到補償作用,誤差比不接補償導(dǎo)線還增加一倍,因此補償導(dǎo)線在連接時一定要注意極性,。
       如果不能確定熱電偶補償導(dǎo)線極性時可以取一-段補償導(dǎo)線,將--端絕緣去掉后擰在--起,放在熱水杯中,用普通萬用表直流電壓量程低檔測量另--端的2根線,，萬用表上會顯示測量電壓的正負,信號的正極為補償導(dǎo)線的正極。
2.使用的補償導(dǎo)線型號不對
       同種補償導(dǎo)線配同種熱電偶,如果所選的補償導(dǎo)線種類不對,一樣產(chǎn)生誤差,。假設(shè)使用S型熱電偶,選擇了K型偶的補償導(dǎo)線KX,儀表測量溫度比實際溫度高。如果儀表控制在900℃時,實際值只有875.1℃,誤差24.9℃,。
       如果上述情況又將極性接反,，儀表測量值偏高,儀表顯示900℃時,實際溫度為933.2℃,誤差33.2℃。
3.補償導(dǎo)線與導(dǎo)線混用
        在實際應(yīng)用中,經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)由于補償導(dǎo)線不夠長用普通導(dǎo)線連接,或補償導(dǎo)線斷后接上一段普通導(dǎo)線,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,、補償導(dǎo)線使用中注意事項
1.補償導(dǎo)線的選擇
       補償導(dǎo)線一定嬰根據(jù)所使用的熱電偶種類和所使用的場合進行正確選擇,。側(cè)如K型偶應(yīng)該選擇K型偶的補償導(dǎo)線,根據(jù)使用場合,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℃,。普通級誤差為±2.5℃,精密級為±1.5℃,。
2.接點連接
       與熱電偶接線端2個接點盡可能近--點盡量保持2個接點溫度一致。與儀表接線端連接處盡可能溫度--致,儀表柜有風(fēng)扇的地方,接點處要保護不要使得風(fēng)扇直吹到接點,。
3.使用長度
       因為熱電偶的信號很低,為微伏級,，如果使用的距離過長,信號的衰減和環(huán)境中強電的干擾偶合，足可以使熱電偶的信號失真造成測量和控制溫.度不正確,，在控制中嚴重時會產(chǎn)生溫度波動,。
根據(jù)我們的經(jīng)驗,通常使用熱電偶補償導(dǎo)線的長度控制在15米內(nèi)比較好,如果超過15米,建議使用溫度變送器進行傳送信號。溫度變送器是將溫度對應(yīng)的電勢值轉(zhuǎn)換成直流電流傳送,抗干擾強,。
4.布線
       補償導(dǎo)線布線-一定要遠離動力線和干擾源,。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.屏蔽補償導(dǎo)線
       為了提高熱電偶連接線的抗干擾性,可以采用屏蔽補償導(dǎo)線,。對于現(xiàn)場干擾源較多的場合.效果較好,。但是一-定要將屏蔽層嚴格接地,否則屏蔽層不僅沒有起到屏蔽的作用,反而增強干擾。
七,、總結(jié)
      熱電偶的廣泛應(yīng)用使現(xiàn)代的自動化水平大幅度提高,，合理有效的利用不同的熱電偶可以更真實更正確的顯現(xiàn)各種工業(yè)過程，熱電偶在電廠的廣泛應(yīng)用也促進了火電廠自動化水平的提高,，合理應(yīng)用使機組運行的更加穩(wěn)定安全,，從而保證電網(wǎng)的安全運行，也促進了社會生產(chǎn)水平的提高,。