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生的原因，同時闡述了熱電偶補償導線的使用的注意事項和誤.差的產生原因。
一、熱電偶工作原理及其理論基礎
       若將兩種不同的導體與半導體連接成閉合回路，再將其兩個接點分別置于溫度各為T及T0的熱源中，則在該回路內即可產生熱電動勢，亦稱熱電勢，這種現象叫做熱電效應。而溫差電勢則是在同--導體的兩端因其溫度不同而產生的一種熱電勢。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比從低溫端跑到高溫端的要多，其結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。這樣在導體兩端便產生一個相應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線，只要第三種導線兩端溫度相同，則第三種導線引入不會影響熱電偶的電動勢。根據此性質，在回路中引入各種儀表、連接導線等，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:熱電性能穩定、抗氧化性強、宜在氧化性氣氛中連續使用、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(有些國家的產品負極為純鎳)。可測量0~1300℃的介質溫度,適宜在氧化性及惰性氣體中連續使用，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氧化，使熱電勢發生很大變化，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℃范圍內短期熱循環穩定性不好，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℃范圍內要發生磁性轉變，在室溫至230C范圍內分度值往往偏離分度表，尤其是在磁場中使用時往往出現與時間無關的熱電勢干擾;長期處于高通量中系統輻照環境下，由于負極中的錳(Mn).鈷(Co)等元素發生蛻變，使其穩定性欠佳，致使熱電勢發生較大變化。
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℃以下調溫抗氧化能力強，長期穩定性及短期熱循環復現性好，耐核輻射及耐低溫性能好，另外，在400-1300℃范圍內，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(-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晶化的趨勢，且具有較大的機械強度;同時由于它對于雜質的吸收或銠的遷移的影響較少，因此經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，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，應根據被測溫度范圍和工作環境，正確安裝和合理使用熱電偶。
1.應選擇合適的安裝地點。由于加熱爐內溫度分布不均勻，熱電偶測得的又是局部區域的溫度，因此應選擇合適的測量點安放熱電偶。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，而不能安裝在爐門旁或離加熱源太近的地方。
2.安裝熱電偶的位置應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不小于熱電偶保護管外徑的8~10倍，熱端應盡可能靠近工件，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緊靠爐壁，以免其冷端溫度過高。一般應離爐壁200mm左右。
5熱電偶應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，插入深度不應大于500mm,露出部分應用架子托牢，使用一段時間后，應將其旋轉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。補償導線與接線盒接線孔之間的空隙也應用石棉線塞緊，并使其朝下，以免污物落入。
7.用熱電偶測量爐溫時，應避開火焰的直接噴射，因火焰噴出處的溫度比爐內實際溫度高且不穩定。
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.使用期內的熱電偶，應經常檢查熱電極和保護管是否良好，如果發現熱電偶表面有麻點、污潰、局部直徑變細或保護管表面腐蝕嚴重等現象，應停止使用，并維修或更換新熱電偶。
四、熱電偶經常引起誤差的原因.
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，熱電偶不應裝在太靠近門和加熱的地方，插入的深度至少應為保護管直徑的8~10倍;熱電偶的保護套管與壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內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用耐火泥或石棉繩等絕熱物質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℃;熱電偶的安裝應盡可能避開強磁場和強電場，所以不應把熱電偶和動力電纜線裝在同-根導管內以免引入干擾造成誤差;熱電偶不能安裝在被測介質很少流動的區域內，當用熱電偶測量管內氣體溫度時，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。所以應盡可能采用熱電極較細，保護管直徑較小的熱電偶。測溫環境許可時，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，應當選擇時間常數小的熱電偶。時間常數與傳熱系數成反比，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，除增加傳熱系數以外，有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。使用中，通常采用導熱性能好的材料，管壁薄、內徑小的保護套管。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，這時溫度示值比被測溫度的真值低。因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。
五、熱電偶樸償導線
        熱電偶補償導線已經廣泛用于熱電偶溫度測量中。如果了解了熱電偶補償導線的原理、功能、作用方法和注意事項,就能充分發揮熱電偶補償導線的作用，否則就會適得其反。
某鋼管生產企業新引進的-套球化爐裝置,裝置的二十多個測溫點由于設備安裝人員將熱電偶正負極接反,且補償導線還存在多接頭現象，再加.上設備使用人員對此知識的貧乏,在工作中因爐溫不正確導致爐內產品報廢,直接經濟損失達一-百多萬元，教訓不可謂不深刻。
       實際上在眾多熱電偶測溫現場發現用曾通銅導線作連線的占40%,而使用補償導線作連接線的僅占60%。究其原因有二:
一是由于熱電偶設備使用操作人員不了解補償導線功能，認為既然只要起到連接作用，普通導線即可。
二是設備制造商在安裝熱電偶時,用的連接線即為普通導線，而在使用者角度總認為設備安裝人員都是專業人員,做法總是正確的沒能引起應有的懷疑。在工業生產中,雖然熱電偶作為溫度傳感器,已經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濟損失,所以應該引起重視。
補償導線引起的誤差基本有以下3種情況:
1.熱電偶補償導線正負極與熱電偶接反
       如果將熱電偶補償導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線產品很多標注不規范,難以辨認:有些甚至是生產廠家將顏色標錯。
        一般工業爐附近的溫度,至少比控制間的溫度高8℃。那么由此產生誤差正好是補償導線補償值的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℃。如果控制溫度設定在600℃.實際溫度應該在616℃C左右。
       從上面的分析可以看出，當熱電偶補償導線正負極接反,不僅沒有起到補償作用,誤差比不接補償導線還增加一倍,因此補償導線在連接時一定要注意極性。
       如果不能確定熱電偶補償導線極性時可以取一-段補償導線,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線的正極。
2.使用的補償導線型號不對
       同種補償導線配同種熱電偶,如果所選的補償導線種類不對,一樣產生誤差。假設使用S型熱電偶,選擇了K型偶的補償導線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.補償導線與導線混用
        在實際應用中,經常會發現由于補償導線不夠長用普通導線連接,或補償導線斷后接上一段普通導線,折合成溫度值與采用的何種熱電偶有關。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、補償導線使用中注意事項
1.補償導線的選擇
       補償導線一定嬰根據所使用的熱電偶種類和所使用的場合進行正確選擇。側如K型偶應該選擇K型偶的補償導線,根據使用場合,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,儀表柜有風扇的地方,接點處要保護不要使得風扇直吹到接點。
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生溫度波動。
根據我們的經驗,通常使用熱電偶補償導線的長度控制在15米內比較好,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的電勢值轉換成直流電流傳送,抗干擾強。
4.布線
       補償導線布線-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線。對于現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
      熱電偶的廣泛應用使現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各種工業過程，熱電偶在電廠的廣泛應用也促進了火電廠自動化水平的提高，合理應用使機組運行的更加穩定安全，從而保證電網的安全運行，也促進了社會生產水平的提高。