牛向榮

（中冶天工上海十三冶建設(shè)有限公司 中國(guó) 上海 201999）

0 引言

熱電偶作為工業(yè)測(cè)溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一，由于其無法替代的優(yōu)點(diǎn)成為工廠里常用的溫度測(cè)量?jī)x表。 與鉑熱電阻一起，約占整個(gè)溫度傳感器總量的60%，熱電偶通常和顯示儀表等配套使用， 直接測(cè)量工廠生產(chǎn)過程中-40～1800℃范圍內(nèi)的液體、蒸汽和氣體介質(zhì)以及固體的表面溫度。

熱電偶因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，往往被誤認(rèn)為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實(shí)并非如此。 熱電偶的結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但在使用中仍然會(huì)出現(xiàn)各種問題。 例如：安裝或使用方法不當(dāng)，將會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會(huì)因操作不當(dāng)，在使用時(shí)不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會(huì)因選擇性氧化而超差。

為了提高測(cè)量精度，減少測(cè)量誤差，延長(zhǎng)熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應(yīng)具備儀表方面的操作技能，而且還應(yīng)具有物理、化學(xué)及材料等多方面知識(shí)。本文根據(jù)寶鋼“2030 新增冷軋連退工程”爐內(nèi)熱電偶安裝的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)連退工程爐區(qū)熱電偶安裝基本注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述，為以后類似的安裝提供參考。

1 熱電偶概念及工作原理

1.1 熱電偶概念

熱電偶是一種感溫元件，屬于一次儀表，它直接測(cè)量溫度，并把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成熱電動(dòng)勢(shì)信號(hào)，通過電氣儀表（二次儀表）轉(zhuǎn)換成被測(cè)介質(zhì)的溫度。 工業(yè)測(cè)溫用的熱電偶，其基本構(gòu)造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護(hù)管和接線盒等。 兩種不同成份的均質(zhì)導(dǎo)體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端。

1.2 熱電偶工作原理

熱電偶有B、S、K、T、E 等多種分度號(hào)，在實(shí)際應(yīng)用中，首先必須選用與熱電偶相配套的補(bǔ)償導(dǎo)線將熱電偶冷端延伸到控制室，然后再與變送、顯示、記錄、調(diào)節(jié)儀表或數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備相連，系統(tǒng)原理框圖如圖所示。

熱電偶測(cè)溫的基本原理是工作端與自由端組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在熱電動(dòng)勢(shì)，測(cè)得熱電動(dòng)勢(shì)后，即可知道被測(cè)介質(zhì)的溫度。

2 熱電偶正確安裝的意義

寶鋼“2030 新增冷軋連退工程”中，為了保證工藝所需的退火周期，更好的清除帶鋼應(yīng)力，在整個(gè)退火機(jī)組中退火爐中各種檢測(cè)和控制儀表的工藝參數(shù)尤為重要， 主要包括：退火爐爐內(nèi)溫度監(jiān)視，溫度調(diào)節(jié)控制輸出上下限幅，各段爐溫控制自動(dòng)啟動(dòng)/停止等。 加熱爐段設(shè)置了108 套熱電偶，均熱爐段中設(shè)置有12 套熱電偶。 該工程選用的是法國(guó)進(jìn)口的熱電偶。 在爐內(nèi)每一列輻射管中有兩根輻射管配備熱電偶，用于控制及安全預(yù)警。 兩根熱電偶的溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中較高的參與閉環(huán)控制，當(dāng)其中一根損壞時(shí)，將發(fā)生報(bào)警，同時(shí)可以利用另一根繼續(xù)生產(chǎn)。 熱電偶安裝的形式是金屬軟管型，螺絲固定于相應(yīng)的輻射管上。

正確安裝熱電偶不但可以準(zhǔn)確測(cè)量到溫度的數(shù)值，保證產(chǎn)品合格，而且還可節(jié)省熱電偶的材料消耗，既節(jié)省資金又能保證產(chǎn)品質(zhì)量。 如果熱電偶安裝不正確，熱導(dǎo)率和時(shí)間滯后等問題出現(xiàn)，給測(cè)量過程帶來了主要誤差，不能反映爐膛的真實(shí)溫度。

Stein-heurtey 爐區(qū)控制系統(tǒng)采用了西門子PS7 的控制系統(tǒng)，帶鋼規(guī)格、溫度和機(jī)組速度控制爐內(nèi)溫度直接參與生產(chǎn)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的控制，很顯然帶鋼溫度測(cè)量直接影響著該系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化儀表檢測(cè)與控制系統(tǒng)的工作，是整個(gè)生產(chǎn)控制過程的重中之重。

3 熱電偶安裝原則

熱電偶安裝位置的選擇是特別重要的，從生產(chǎn)工藝角度出發(fā)，測(cè)溫點(diǎn)一定要具有典型性和代表性，必須能準(zhǔn)確反映該工藝參數(shù)真值的大小，否則將失去測(cè)量與控制的意義。

熱電偶安裝通常應(yīng)把握以下這幾點(diǎn)原則：

3.1 熱電偶應(yīng)安裝在溫度較均勻且能代表待測(cè)工作溫度的地方，盡可能靠近所要測(cè)的溫度控制點(diǎn)。

3.2 熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避開強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)，應(yīng)遠(yuǎn)離儀表電源及動(dòng)力電纜或采取相應(yīng)的屏蔽措施，以防止由于外來因素干擾而造成測(cè)量誤差。

3.3 熱電偶熱端與被測(cè)介質(zhì)應(yīng)充分接觸，不能裝在被測(cè)介質(zhì)很少流動(dòng)的區(qū)域內(nèi)（對(duì)流動(dòng)介質(zhì)而言）。

3.4 熱電偶冷端盡量避免溫度過高（一般不應(yīng)超過100℃）。在高溫下使用的熱電偶，爐內(nèi)溫度測(cè)量的介質(zhì)為氣態(tài)，保護(hù)管表面沉積的灰塵等將容易燒熔在表面上，使保護(hù)管的熱阻抗增大。

3.5 熱電偶不應(yīng)裝在太靠近爐門或者加熱的位置，插入的深度至少應(yīng)為保護(hù)管直徑的8～10 倍； 熱電偶的保護(hù)套管與爐壁間的間隔未填絕熱物質(zhì)致使?fàn)t內(nèi)熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護(hù)管和爐膛壁孔之間的空隙應(yīng)用耐火泥或石棉繩等絕熱物質(zhì)堵塞以免冷熱空氣對(duì)流而影響測(cè)溫的準(zhǔn)確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃。

4 熱電偶安裝注意事項(xiàng)

4.1 電極絕緣問題

除熱端接點(diǎn)外，電極的其它部分應(yīng)嚴(yán)格絕緣，如果絕緣不好或短路，將會(huì)引起測(cè)量誤差甚至不能測(cè)量。 安裝和使用時(shí)，應(yīng)檢查熱電偶兩電極間的絕緣材料（如普通型的陶瓷管）是否完好。

4.2 與補(bǔ)償導(dǎo)線的連接

熱電偶與補(bǔ)償導(dǎo)線的連接應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

1）補(bǔ)償導(dǎo)線型號(hào)與熱電偶的分度號(hào)必須對(duì)應(yīng)，絕不能用錯(cuò)。

2）補(bǔ)償導(dǎo)線與熱電偶的兩連接點(diǎn)的溫度應(yīng)相同，且不得超過規(guī)定的使用溫度（普通型小于100℃，耐熱型小于200℃）。

3）補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶都有正負(fù)極之分（可根據(jù)電極硬度、電極顏色或絕緣層顏色來區(qū)分），連接時(shí)極性不能接反，否則將產(chǎn)生反補(bǔ)，使測(cè)量誤差大大增加。

4.3 熱阻抗的影響

熱電偶因保護(hù)套管外表面附著灰分和氧化物產(chǎn)生的熱阻抗不僅會(huì)增加熱電偶的響應(yīng)時(shí)間，使其反應(yīng)滯后，同時(shí)還會(huì)使示值偏低，必須重點(diǎn)考慮，尤其是水平安裝的熱電偶。 在使用過程中，應(yīng)根據(jù)環(huán)境狀況定期檢查并清理，以保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔。

4.4 熱電特性變化的影響

熱電偶經(jīng)長(zhǎng)期使用后，熱電極會(huì)出現(xiàn)被腐蝕、氧化或晶格不均勻等現(xiàn)象，這將導(dǎo)致其熱電特性發(fā)生變化，如變化顯著，則會(huì)嚴(yán)重影響其示值準(zhǔn)確性。 解決這一問題的主要辦法就是保護(hù)好熱電偶接線盒，使接線盒的出線口和蓋子都由橡膠墊片進(jìn)行密封，防止丟失和損壞，這將會(huì)有效減緩熱電特性發(fā)生變化的速度。

5 測(cè)量誤差的分析與調(diào)整

5.1 絕緣變差而引入的誤差

如熱電偶絕緣了，保護(hù)管和拉線板污垢等過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴(yán)重，這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾，由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上百度。

5.2 熱惰性引入的誤差

由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測(cè)溫度的變化，在進(jìn)行快速測(cè)量時(shí)這種影響尤為突出。 由于存在測(cè)量滯后，用熱電偶檢測(cè)出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。 測(cè)量滯后越大，熱電偶波動(dòng)的振幅就越小，與實(shí)際爐溫的差別也就越大。

5.3 熱阻誤差

高溫時(shí)，如保護(hù)管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導(dǎo)，這時(shí)溫度示值比被測(cè)溫度的真值低。 因此，應(yīng)保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔，以減小誤差。

6 結(jié)語

本文以連退工程爐區(qū)熱電偶的安裝為例，主要闡述了熱電偶安裝的基本注意事項(xiàng)，嚴(yán)格按照產(chǎn)品說明書及安裝原則正確地安裝熱電偶，確保生產(chǎn)過程中的溫度測(cè)量精度及使用壽命。 在以后的工程中把積累的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到實(shí)際安裝中，同時(shí)再進(jìn)一步積累總結(jié)，使所安裝的設(shè)備測(cè)量精度更準(zhǔn)確地參與工業(yè)自動(dòng)化儀表檢測(cè)與控制， 從而更好地滿足生產(chǎn)的要求。S

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