（电气工程专业论文）火电厂热电偶冷端补偿分析与研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 测温热电偶是火电厂最重要的传感器，其运行情况直接影响发电机组是否能够 安全运行。在火电行业中，测温热电偶性能不稳定、可靠性差是非常普遍的问题， 由于性能不稳定导致温度信号误报一直困扰着电厂的运行人员和检修人员，严重时 可造成机组事故停机，这对于机组寿命及电网的安全都会造成不可估量的影响。 通过分析热电偶的测温原理，我们得出，只有在热电偶冷端温度保持不变时， 热电势才是被测温度的单值函数。在火电厂应用时，由于热电偶工作端与冷端距离 很近，冷端又暴露在空间，极易受到周围环境温度波动的影响，因而冷端温度难以 保持恒定，为此需要对热电偶进行冷端补偿。目前国内外常用的冷端补偿方法都存 在较大误差，因此本文在现有冷端补偿方法的基础上提出了改进的冷端补偿电路以 提高测量的精度，并且完成了相应的微机补偿的软硬件设计。 关键词：热电偶，冷端补偿，电路设计 a b s t r a c t t h e r m o c o u p l ei st h em o s ti m p o r t a n ts e n s o ri np o w e rp l a n t , i t so p e r a t i o ni sa b l et o d i r e c t l ya f f e c tt h es a f eo p e r a t i o no fg e n e r a t i n gu n i t s i nt h et h e r m a lp o w e ri n d u s t r y , i ti sa v e r yc o m m o np r o b l e mt h a tt h et h e r m o c o u p l ep e r f o r m a n c eu n s t a b l ea n du n r e l i a b l e a s t h ep e r f o r m a n c eo fi n s t a b i l i t yl e a dt of a l s et e m p e r a t u r es i g n a lh a sb e e nt r o u b l e dp o w e r p l a n to p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c ep e r s o n n e l ，a n dw h e ni ts e r i o u sc a nc a u s ep o w e ru n i t s s h u t d o w n ，t h i sw i l lc a u s ei n c a l c u l a b l ei m p a c to np o w e ru n i tl i f ea n ds a f e t yo ft h eg r i d b ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e r m o o o u p l et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，w ek n o w t h a t o n l yw h e nt h et h e r m o c o u p l ec o l dj u n c t i o nt e m p e r a t u r er e m a i n su n c h a n g e d ，t h e t h e r m oe m fi st h es i n g l e v a l u e df u n c t i o no ft h em e a s u r e dt e m p e r a t u r e i nt h ea p p l i c a t i o n o fp o w e r p l a n t ，t h ec o l d - s i d ee x p o s u r e st os p a c e ，t h ec o l dj u n c t i o nt e m p e r a t u r ei se a s i l y a f f e c t e db yt h ef l u c t u a t i o no ft h ea m b i e n tt e m p e r a t u r e ；t h ec o l dj u n c t i o nt e m p e r a t u r ei s d i f f i c u l tt oh o l di n v a r i a b l e n e s s ，s ot h et h e r m o o o u p l en e e d sc o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o n t h e e x i s t i n g se x i tac o m p a r a t i v e l yl a r g ee r r o r ，s ot h i sp a p e rp r o p o s e sa ni m p r o v e db a s e d o nt h ee x i s t i n gc o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o nm e t h o di no r d e rt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo f m e a s u r e m e n t sa n dc o m p l e t e dt h ed e s i g no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fc o m p u t e r c o m p e n s a t i o nm e t h o d x i nj i a n ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i uba o z h u k e y w o r d s ：t h e r m o c o u p l e ，c o l dj u n c t i o nc o m p e n s a t i o n ，c i r c u i td e si g n 华北电力大学工程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言。1 1 1 火电厂测温热电偶研究背景及意义1 1 1 1 热电偶的基本知识2 1 1 2 热电偶产生测温误差的主要原因”7 1 1 3 热电偶冷端补偿9 1 2国内外研究现状1 0 1 2 1 补偿导线法1 2 1 2 2 温度传感器法1 2 1 3 主要研究内容1 2 第二章冷端补偿导线应用分析1 4 2 1 冷端补偿导线的补偿作用1 4 2 2 冷端补偿导线常见问题分析1 5 2 2 1 补偿导线与热电偶正负极反接1 5 2 2 2 补偿导线与热电偶型号不匹配1 6 2 2 3 普通导线代替补偿导线1 7 2 3热电偶配用冷端补偿导线测量温度时的误差修正1 7 2 4 本章小结l8 第三章冷端补偿电路的设计分析1 9 3 1 传统的冷端补偿电路1 9 3 2 改进冷端补偿电路2 0 3 2 1 环境电势测量电路2 0 3 2 2 现场电势测量电路2 l 3 3 冷端补偿的软件仿真。2 2 3 3 1m u l t i si m 简介2 2 3 3 2 仿真2 3 3 4 本章小结2 4 第四章微机补偿方案2 5 4 1 软件及计算。2 5 4 1 1m a t l a b 简介。2 5 4 1 2 回归分析法及最小二乘原理2 7 4 1 3 数学模型2 9 4 华北电力大学下程硕士专业学位论文 4 1 4 工程量变换一3 0 4 2 补偿电路硬件设计。3 0 4 2 1m c u ”3 l 4 2 2 冷端温度的测量电路”3 l 4 2 3 a d 转换电路一3 3 4 3 本章小结”3 7 第五章软件设计及应用3 9 5 1 数据采集程序设计4 0 5 1 1 控制字的格式4 0 5 1 2t l c 2 5 4 3 的内部寄存器。4 0 5 1 3 转换过程4 0 5 1 4 数据采集程序4 l 5 2 微机补偿应用”4 3 5 3 本章小结4 4 结论4 5 参考文献4 6 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 第一章引言 1 1 火电厂测温热电偶研究背景及意义 测温热电偶是火电厂最重要的传感器，火电厂测温热电偶运行情况直接影响发 电机组是否能够安全运行。在火电行业中，测温热电偶性能不稳定、可靠性差是非 常普遍的问题，由于性能不稳定导致温度信号误报一直困扰着电厂的运行人员和检 修人员，严重时可造成机组事故停机，这对于机组寿命及电网的安全都会造成不可 估量的影响。因此，分析测温热电偶测温误差原因，提高测温热电偶的长期稳定性 和可靠性是非常紧迫的一项工作。加之为实现可持续发展而采取的节能减排措施和 低碳化发展之路，更要求我们对工业生产中的温度有清晰明确的监控，因此。准确 地测量温度具有十分重要的现实意义。 测温的方法很多，例如，利用水银温度计、有机液体温度计、双金属温度计、 液体压力温度计、铂电阻温度计、热敏电阻温度计、热电偶温度计、光学高温计、 红外温度计、辐射温度计、比色温度计等等都可实现对温度的测量。其中，热电偶 温度计具有结构简单、测温范围广( 低至负1 8 0 ，高至1 8 0 0 ) 、耐高温、准确度 高、价格便宜、使用方便、适于远距离测量与自动控制等优点。因而，它在高温测 量方面得到较广泛的应用。从塞贝克发现热电效应以来的一百多年间，热电偶大 约经历了三个重要的发展阶段。 第一阶段为最初的摸索阶段。时间大约为十九世纪三十年代至二十世纪二十年 代，跨越整整一个世纪。在此期间，理论和经验都比较欠缺，人们对热电材料的研 究大多遵循塞贝克的实验，对可能的热电材料采用配对法直接配成热电偶，试验了 大约3 0 0 种热电偶。 第二阶段截至二十世纪六十年代。在这4 0 年中，人们对材料的热电材料的特 性研究更加深入，除了之前的配对法之外，尝试了一种新的方法比较法。比较 法就是选择一种热电性能稳定，化学性能好的材料作标准电极，把各种待测试的材 料分别与标准电极组成电偶，测量这些热电偶的热电势一温度特性曲线。二战对钢 材质量和数量的强大需求，曾经推动了热电偶材料的发展，几十年间，热电偶的劣 化、高温脆断和不均匀性等问题得到了很深入的研究。 第三阶段为入十年代至今。这个阶段，人们在热电偶回路的基本理论及其应用 上倾注了更多的关注，此外热电偶材料的性能和测试法研究也得到更好的发展，除 了传统的配对法和比较法外，分析法心1 也逐渐成为莺要的设计方法。分析法以现代 热电理论( 非平衡态热力学、量子力学) 为依据，综合冶金和物理化学理论及经验 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 规律来进行热电偶的研究和设计。经过这三个阶段的发展，尤其是近半个世纪的研 究，热电偶的各个系列都已经得到了长足的发展，并且逐渐形成了产品和行业的标 准。 1 1 1 热电偶的基本知识 1 1 1 1 热电偶的测温原理 热电温度计是由热电偶、补偿导线及测量仪表构成的。其中热电偶是敏感元件， 它由两种不同的导体a 和b 连接在一起，构成一个闭合回路，当两个连接点1 与2 的 温度不同时，由于热电效应，回路中就会产生零点几到几十毫伏的热电动势，记为 e a b 。接点1 在测量时被置于测场所，故称为测量端或工作端。接点2 则要求恒定在 某一温度下，称为参考端或自由端，如图1 - 1 所示。 磊 n i 、，则在单位时间内，由导体a 扩散到导体b 的电子数比由导体b 扩散到导体a 的电子数多，导体a 因失去电子而带正电，导体b 因获得电子而带负 电，因此，在导体a 和b 之间形成了电势差。这个电势在导体a 、b 接触处形成了 一个静电场，静电场阻碍扩散作用的继续进行。在某一温度下，电子扩散能力与静 电场的阻力达到动态平衡，此时在接点处形成接触电势。如公式( 1 - i ) 所示。 啪= 等h 等驴等h 瓮 小- ， 公式中，e 为单位电荷，e = 1 1 6 0 , 1 0 - 1 9 c ；k 为玻耳兹曼常数，k = i 3 8 1 0 2 3 j k ； e a b ( t ) 、e a b ( t o ) 分别为导体a 和b 的两个接点在温度t 和t o 时的电位差。n a t ，n a t o 即导体a 在温度分别为t 和t 0 时的电子密度，n b t ，n b t o 即导体b 在温度分别为t 华北电力大学工程硕士专业学位论文 和t 0 时的电子密度。 从公式( 1 - 1 ) 可以看出，接触电势的大小与该接点温度的高低以及导体a 和b 的电子密度的比值有关，温度越高，接触电势越大，两种导体电子密度的比值越大， 接触电势也越大。 ( 2 ) 单一导体中的温差电势 温差电势是基于汤姆逊效应产生的，即同一导体的两端因其温度不同而产生的 一种热电势。设导体a ( 或b ) 两端温度分别为t 和t 0 ，且t t o ，此时形成温度梯 度，使高温端的电子的能量大于低温端的电子的能量，因此从高温端扩散到低温端 的电子数比从低温端扩散到高温端的电子数要多，结果使得高温端因失去电子而带 正电荷，低温端因获得电子而带负电荷。因而，在同一导体的两端便产生电位差， 并阻止电子从高温端向低温端扩散，最终使电子扩散达到动态平衡，此时所形成的 电位差称作温差电势。a 、b 导体分别都有温差电势产生，可由公式( 1 - 2 ) 表示 e a c t , t o ) = 等( 旁( m r t ) e b c r , t o ) = 等( 旁( 咿) ( 1 - 2 ) 公式中，n a t ，n b t 分别为导体a 、b 在某温度t 时的电子密度：e a ( t ，t o ) 、e b ( t ， t o ) 分别为导体a 、b 两端在t 和t o ( t t 0 ) 时的温差电势。 ( 3 ) 热电偶闭合回路的总电势 如图1 - 2 所示的热电偶闭合回路中将产生两个温差电势e a ( t ，t 0 ) 、e b ( t ，t o ) 及两个接触电势e a b ( t ) 、e a b ( t o ) 。设t t o ，n a n b ，因为温差电势比接触电势小， 所以在总电势中，以导体a b 在热端的接触电势e a b ( t ) 所占百分比最大，决定了总 电势的方向，这时总电势e a b ( t ，t o ) 可写为公式( 1 - 3 ) ： c a b ( t ) t - 啼 e b 盯，l ) 扭c 柚n ) 图1 - 2 热电偶闭合回路的电势分布示意图 邑占( r ，r o ) = 邑疗( 7 ) + 易( 丁，t o ) - 邑占( t o ) - e ( 丁，瓦) 一等h 惫+ 等( 旁c 啪一等h 麓一等】：旁c 啪 。- 3 ) 经整理后推导可得 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 丁，t o ) ：墨f 物( ，) 0 - 4 ) p 。oi v b t 由公式( 1 4 ) 可知，热电偶总电势与电子密度及两接触点的温度有关。电子 密度不仅取决于热电偶材料特性，而且随温度的变化而变化，它们并非常数。所以， 当热电偶材料一定时，热电偶的总电势e a b 成为温度t 和t o 的函数差，即 以曰( r ，t o ) = f ( t ) - f ( t o ) ( i - 5 ) 如果能使冷端温度t o 固定，即f ( t o ) = c ( 常数) ，则对确定的热电偶材料，其总 电势e a b ( t ，t o ) 就只与热端温度呈单值函数关系，即 e 8 ( 丁，瓦) = f ( t ) - c ( 1 - 6 ) 这种特性称为热电偶的热电特性，可通过实验方法求得。由此可见，当保持热 电偶冷端温度t o 不变时，只要用仪表测得热电势e a b ( t ，t o ) ，就可求得被测温度。 1 1 1 2 热电偶四大定律 ( 1 ) 均质导体定律 由同一种均质材料( 导体或半导体) 两端焊接组成闭合回路，无论导体截面如 何以及温度如何分布，将不产生接触电势，温差电势相抵消，回路中总电势为零。 可见，热电偶必须由两种不同的均质导体或半导体构成。若热电极材料不均匀， 由于温度梯存在，将会产生附加热电势。 ( 2 ) 中间导体定律 在热电偶回路中接入中问导体( 第三导体) ，只要中间导体两端温度相同，中 间导体的引入对热电偶回路总电势没有影响，这就是中间导体定律。 应用：依据中间导体定律，在热电偶实际测温应用中，常采用热端焊接、冷端 开路的形式，冷端经连接导线与显示仪表连接构成测温系统。有人担心用铜导线连 接热电偶冷端到仪表读取m v 值，在导线与热电偶连接处产生的接触电势会使测量 产生附加误差。根据这个定律，是没有这个误差的! ( 3 ) 中间温度定律 热电偶回路两接点( 温度为t 、t o ) 间的热电势，等于热电偶在温度为t 、t n 时的热电势与在温度为t n 、t o 时的热电势的代数和。t n 称中间温度。 应用：由于热电偶e - t 之间通常呈非线性关系，当冷端温度不为0 摄氏度时，不 能利用已知回路实际热电势e ( t ，t o ) 直接查表求取热端温度值；也不能利用已知回 路实际热电势e ( t ，t o ) 直接查表求取的温度值，再加上冷端温度确定热端被测温度 值，需按中间温度定律进行修正。初学者经常不按中间温度定律来修正! ( 4 ) 参考电极定律 这个定律是专业人士才研究、关注的，一般生产、使用环节的人士不太了解， 简单说明就是：用高纯度铂丝做标准电极，假设镍铬一镍硅热电偶的正负极分别和 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 标准电极配对，他们的值相加是等于这支镍铬一镍硅的值。 1 1 1 3 热电偶的分类 ( 1 ) ( s 型热电偶) 铂铑1 0 - 铂热电偶 铂铑1 0 - 铂热电偶( s 型热电偶) 为贵金属热电偶。偶丝直径规定为0 5 m m ，允 许偏差- 0 0 1 5 m m ，其正极( s p ) 的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为1 0 ，含 铂为9 0 ，负极( s n ) 为纯铂，故俗称单铂铑热电偶。该热电偶长期最高使用温度 为1 3 0 0 ，短期最高使用温度为1 6 0 0 ，不足之处是热电势，热电势率较小，灵 敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投 资较大。其的物理，化学性能良好，热电势稳定性及在高温下抗氧化性能好，适用 于氧化性和惰性气氛中。由于它具有优良的综合性能，符合国际使用温标的铂铑i 0 - 铂热电偶，长期以来曾作为国际温标的内插仪器，“i t s - 9 0 一虽规定今后不再作为 国际温标的内查仪器，但国际温度咨询委员会( c c t ) 认为铂铑i 0 - 铂热电偶仍可用 于近似实现国际温标，在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽， 使用寿命长等优点。 ( 2 ) ( r 型热电偶) 铂铑1 3 一铂热电偶 铂铑1 3 - 铂热电偶( r 型热电偶) 为贵金属热电偶。它不足之处是热电势，热 电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵， 因而一次性投资较大。偶丝直径规定为0 5 咖，允许偏差- 0 0 1 5 m m ，其正极( r p ) 的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为1 3 ，含铂为8 7 ，负极( r n ) 为纯铂， 长期最高使用温度为1 3 0 0 ，短期最高使用温度为1 6 0 0 。它的稳定性和复现性 比s 型热电偶均好，我国目前尚未开展这方面的研究。由于它的综合性能与s 型 热电偶相当，在我国一直难于推广，除在进口设备上的测温有所应用外，国内测温 很少采用。1 9 6 7 年至1 9 7 1 年间，英国n p l ，美国n b s 和加拿大n r c 三大研究机构 进行了一项合作研究，其结果表明，它在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最 好，测温温区宽，使用寿命长等优点。其物理，化学性能良好，热电势稳定性及在 高温下抗氧化性能好，适用于氧化性和惰性气氛中。 ( 3 ) ( b 型热电偶) 铂铑3 0 - 铂铑6 热电偶 铂铑3 0 - 铂铑6 热电偶( b 型热电偶) 为贵金属热电偶。它一个明显的优点是 不需用补偿导线进行补偿，冈为在0 5 0 范围内热电势小于3uv 。偶丝直径规定 为0 5 m m ，允许偏差一o 0 1 5 m m ，其正极( b p ) 的名义化学成分为铂铑合金，其中含 铑为3 0 ，含铂为7 0 ，负极( b n ) 为铂铑合金，含铑为量6 ，故俗称双铂铑热电 偶。该热电偶长期最高使用温度为1 6 0 0 ，短期最高使用温度为1 8 0 0 c 。不足之 处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感， 贵金属材料昂贵，凶而一次性投资较大。它在热电偶系列中具有准确度最高，稳定 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。适用于氧化性和惰性气氛 中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。 ( 4 ) ( k 型热电偶) 镍铬一镍硅热电偶 镍铬一镍硅热电偶( k 型热电偶) 是目前用量最大的廉金属热电偶，其用量为其 他热电偶的总和。正极( k p ) 的名义化学成分为：n i ：c r = 9 0 ：1 0 ，负极( k n ) 的 名义化学成分为：n i ：s i = 9 7 ：3 ，其使用温度为- 2 0 0 1 3 0 0 。 它具有线性度好， 热电动势较大，灵敏度高，稳定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜等优点， 能用于氧化性惰性气氛中。广泛为用户所采用。它不能直接在高温下用于硫，还原 性或还原，氧化交替的气氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。 ( 5 ) ( n 型热电偶) 镍铬硅一镍硅热电偶 镍铬硅一镍硅热电偶不能直接在高温下用于硫、还原性或还原、氧化交替的气 氛中和真空中，也不推荐用于弱氧化气氛中。镍铬硅一镍硅热电偶( n 型热电偶) 为 廉金属热电偶，是一种最新国际标准化的热电偶，是在7 0 年代初由澳大利亚国防 部实验室研制成功的它克服了k 型热电偶的两个重要缺点：k 型热电偶在3 0 0 5 0 0 间由于镍铬合金的品格短程有序而引起的热电动势不稳定：在8 0 0 左右由于镍 铬合金发生择优氧化引起的热电动势不稳定。正极( n p ) 的名义化学成分为： n i ：c r ：s i = 8 4 4 ：1 4 2 ：1 4 ，负极( n n ) 的名义化学成分为：n i ：s i ：m g = 9 5 5 ：4 4 ：0 1 ， 其使用温度为一2 0 0 - - - 1 3 0 0 c 。它具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳 定性和均匀性较好，抗氧化性能强，价格便宜，不受短程有序化影响等优点，其综 合性能优于k 型热电偶，是一种很有发展前途的热电偶 ( 6 ) ( e 型热电偶) 镍铬一铜镍热电偶 镍铬一铜镍热电偶( e 型热电偶) 又称镍铬一康铜热电偶，它还具有稳定性好， 抗氧化性能优于铜一康铜，铁一康铜热电偶，价格便宜等优点，能用于氧化性和惰性 气氛中，广泛为用户采用。不能直接在高温下用于硫，还原性气氛中，热电势均匀 性较差。也是一种廉金属的热电偶，正极( e p ) 为：镍铬1 0 合金，化学成分与k p 相同，负极( e n ) 为铜镍合金，名义化学成分为：5 5 的铜，4 5 的镍以及少量的锰， 钴，铁等元素。该热电偶的使用温度为- 2 0 0 9 0 0 c 。它热电动势之大，灵敏度之 高属所有热电偶之最，宜制成热电堆，测量微小的温度变化。对于高湿度气氛的腐 蚀不甚灵敏，宜用于湿度较高的环境。 ( 7 ) ( j 型热电偶) 铁一铜镍热电偶 铁一铜镍热电偶可用于真空，氧化，还原和惰性气氛中，但正极铁在高温下氧 化较快，故使用温度受到限制，也不能直接无保护地在高温下用于硫化气氛中。它 又称铁一康铜热电偶，也是一种价格低廉的廉金属的热电偶。它的正极( j p ) 的名 义化学成分为纯铁，负极( j n ) 为铜镍合金，常被含糊地称之为康铜，其名义化学 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 成分为：5 5 的铜和4 5 的镍以及少量却十分重要的锰，钴，铁等元素，尽管它叫康 铜，但不同于镍铬一康铜和铜一康铜的康铜，故不能用e n 和t n 来替换。它的覆盖测 量温区为一2 0 0 1 2 0 0 c ，但通常使用的温度范围为0 7 5 0 ，具有线性度好，热电动 势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优点，广为用户所采用。 ( 8 ) ( t 型热电偶) 铜一铜镍热电偶铜一铜镍热电偶 ( t 型热电偶) 又称铜一康铜热电偶，也是一种最佳的测量低温的廉金属的热电 偶。它的正极铜在高温下抗氧化性能差，故使用温度上限受到限制。它的正极( t p ) 是纯铜，负极( t n ) 为铜镍合金，常之为康铜，它与镍铬一康铜的康铜e n 通用，与 铁一康铜的康铜j n 不能通用，尽管它们都叫康铜，其的盖测量温区为- 2 0 0 3 5 0 c ， 具有线性度好，热电动势较大，灵敏度较高，稳定性和均匀性较好，价格便宜等优 点，特别在一2 0 0 o c 温区内使用，稳定性更好，年稳定性可小于3uv ，经低温检 定可作为二等标准进行低温量值传递。 1 1 2 热电偶产生测温误差的主要原因 ( 1 ) 插入深度的影响 在选择好具有代表性的测温点后，热电偶插入被测场所时，沿着传感器的长度 方向将产生热流。如果环境温度低时就会有热损失，致使热电偶与被测对象的温度 不一致而产生测温误差。总之，由热传导而引起的误差，与插入深度有关。而插入 深度又与保护管材质有关。内蒙古某电厂采用金属陶瓷复合材料的保护套管，经实 验测定，在插入深度浅一些的情况能到了很好的测温效果。 ( 2 ) 响应时间的影响 接触法测温基本原理是测温元件要与被测对象达到热平衡。因此，在测温时需 要保持一定时间，才能使两者达到热平衡。而保持时间的长短，同测温元件的热响 应时间有关。而热响应时间主要取决于传感器的结构及测量条件，差别极大。对于 电场中的应用环境来说至少应保持3 0 m i n 以上才能达到平衡。对于温度不断变化 的被测场所，尤其是瞬间变化过程，全过程仅1 秒钟，则要求传感器的响应时间在 毫秒级。因此，最好选择响应快的传感器。对热电偶而言除保护管影响外，热电偶 的测量端直径也是其主要因素，即偶丝越细，测量端直径越小，其热响应时间越短。 ( 3 ) 热辐射的影响 插入炉内用于测温的热电偶，将被高温物体发出的热辐射加热。假定炉内气体 是透明的，而且热电偶与炉擘的温差较大时，将因能骨= 交换而产生测温误差。在单 位时间内，两者交换的辐射能为p ，可用下式表示： p = o s ( t 。4 t 1 4 ) ( 1 7 ) 华北电力大学工程硕士专业学位论文 式中。一斯忒藩一波尔兹常数；一发射率：t t 一热电偶的温度，k ；t w 一炉壁的 温度，k ；在单位时间内，热电偶同周围的气体( 温度为t ) ，通过对流及热传导也将 发生热量交换的能量为p p = c a ( t - t t )( 1 - 8 ) 式中a 一热导率；a 一热电偶的表面积。在正常状态下，p = p ，其误差为： t t t = 0 8 ( t 。4 t t 4 ) m a ( 1 9 ) 对于单位面积而言其误差为 t t t - - a s ( t w 4 t t 4 ) 旭( 1 1 0 ) 因此，为了减少热辐射误差，在实际应用中应增大热传导，使炉壁温度t w 尽 可能接近热电偶的温度t t 。在安装时，使热电偶尽量避开固体发出的热辐射。内蒙 古某电厂在部分锅炉上使用了带有热辐射遮蔽套的热电偶，测温效果很好。 ( 4 ) 热阻抗增加的影响 在电厂中使用的热电偶，被测介质为气态，保护管表面沉积的灰尘等将烧熔在 表面上，使保护管的热阻抗增大。因此，为了减少误差，电厂除了定期检定外，还 应该经常抽检。 ( 5 ) 热电偶丝不均质影响 电场中应用的电热偶丝不均质的影响主要有两个方面：一、热电偶材质本身不 均质。有些廉金属制作热电偶丝其均质性较差，又处于具有温度梯度的场合，那么 其局部将产生热电动势，该电动势称为寄生电势。由寄生电势引起的误差称为不均 质误差。二、热电偶丝经使用后产生的不均质。热电偶长期处于高温下也会因偶丝 的劣化而引起热电动势变化，例如：循环流化床锅炉中的热电偶，将沿偶丝长度方 向发生劣化，并随温度增高，劣化增强，当劣化的部分处于具有温度梯度的场所， 也将产生寄生电动势叠加在总热电动势中而出现测量误差。 ( 6 ) 铠装热电偶的分流误差 所谓分流误差即用铠装热电偶测量炉温时，当热电偶中间部位有超过8 0 0 。c 的温度分布存在时，因其绝缘电阻下降，热电偶示值出现异常的现象，称为分流误 当当1 3 o 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 表1 - 1 铠装热电偶产生分流误差的条件 项目 条件 铠装热电偶的直径直径越细，越容易产生误差。 中间部位的温度只能关键部位的加热温度超过8 0 0 c ，容易产生分流误差 中间部位的加热带长度中间部位加热长度越长，越容易产生分流误差 中间部位的加热带位置中间部位加热带的位置距测量端越远，越容易产生分流误差。 绝缘电阻绝缘电阻越低，越容易产生分流误差。 热电偶的回路电阻 k 型与s 型相比，因k 型热电偶的回路比s 型回路电阻大，故 容易产生分流误差 外径相同的铠装热电偶，热电偶丝越细越容易产生分流误差。 ( 7 ) 使用气氛的影响 热电偶的稳定性与使用温度和气氛有关，对同型号传感器，如电场中常见k 型 热电偶的最高使用温度也因直径不同而变化，直径相同的k 型热电偶也因结构的不 同，其稳定性也有很大差异。在选择热电偶时，必须针对使用条件考虑如下几点： 常用温度及最高使用温度氧化还原等使用气氛抗振动性能对于装配 式热电偶而言，气氛的影响，首先取决于保护管材质及热电偶结构，因此，熟悉、 掌握各种保护管材料的物理、化学性能是很必要的。 ( 8 ) 干扰引起的误差 在高温下，由于热电偶绝缘材料及加热炉的耐火砖绝缘性能的降低，使加热炉 的电源经发热体、炉砖、热电偶保护管及绝缘材料泄漏到热电极上，造成漏电干扰。 在电厂中，热电偶测量回路附近经常有大功率电动机、变压器、强电流导线，这样 就会产生较强的交变磁场、高压电场或较大的地电流，它们在热电偶测量回路中将 产生附加电动势，造成测量误差，严重时甚至无法测量。 经过不断的摸索和经验积累，通过各种安装和改进措施可以提高热电偶的测温 精度。在实际应用过程中产生的测温误差主要由冷端温度变化引起。只有当热电偶 冷端温度保持不变时，热电偶输出的热电势才是被测温度的单值函数。但是在实际 使用中，由于热电偶的工作端与冷端距离很近，冷端又暴露于空中，容易受到环境 温度变化的影响，因而冷端温度难以保持恒定，故需进行冷端补偿。 1 1 3 热电偶冷端补偿 1 1 3 i 冷端补偿原理 热电偶测量温度时要求其冷端( 测量端为热端，通过引线与测量电路连接的端 称为冷端) 的温度保持不变，其热电势大小才与测最温度呈，定的比例关系。若测 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 量时，冷端的( 环境) 温度变化，将影响严重测量的准确性。在冷端采取一定措施 补偿由于冷端温度变化造成的影响称为热电偶的冷端补偿。 热电偶的冷端补偿通常采用在冷端串联一个由热电阻构成的电桥。电桥的三个 桥臂为标准电阻，另外有一个桥臂由( 铜) 热电阻构成。当冷端温度变化( 比如升 高) ，热电偶产生的热电势也将变化( 减小) ，而此时串联电桥中的热电阻阻值也将 变化并使电桥两端的电压也发生变化( 升高) 。如果参数选择得好且接线正确，电 桥产生的电压正好与热电势随温度变化而变化的量相等，整个热电偶测量回路的总 输出电压( 电势) 正好真实反映了所测量的温度值。这就是热电偶的冷端补偿原理。 热电偶的热电势是以冷端在零度为标准测量的。然而，通常测量时仪表是处于 室温之下的，由于冷端不为零度，造成热电势差减小，使测量不准，出现错误。一 般是采用接补偿导线的办法。现在生产的测量仪表，大多都带有自动补偿的电路， 可以纠正补偿导线冷端不是零度而产生的误差。所以大多数仪表按规定接补偿导线 即可。毫伏计里没有相关的补偿电路，象这类仪表，不但要接补偿导线，还要用调 整零点等方法补偿。 不补偿会出现测量错误。例如用毫伏计测量温度，热电偶冷端为5 0 度，接补 偿导线，补偿导线冷端为室温2 0 度，如果不采取调整零点的方法，测量显示温度 为实际温度减去2 0 度。 1 1 3 2 冷端补偿误差来源 ( 1 ) 分度误差：由于热电极材料成分不符要求和材料均匀性等原因，使热电偶 的热电性质与统一的分度表之间产生分度误差。 ( 2 ) 补偿导线误差：由于补偿导线和热电极材料在1 0 0 0 以下的热电性质不同 将产生误差。 ( 3 ) 参比端温度变化引起的误差：在利用补偿电桥进行参比温度补偿时，由于不 能完全补偿而产生误差。 ( 4 ) 由于热电极变质，使热电性质变化而产生误差。 传统的冷端补偿方法，比如冰点法、电桥法和二极管法，都难以满足现在电厂 生产的高准确、数字化要求。因此对热电偶冷端补偿方法的改进和研究对于提高热 电偶测温的精度具有重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 只前国内外研究比较多的热电偶冷端补偿方法有：补偿导线法碍7 1 、补偿器法 e - i l l 、温度传感器法n 2 1 钉等。表卜2 总结了目前热电偶冷端补偿的各种方法的优缺 点及使用范围。 l o 华北电力大学工程硕士专业学位论文 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 2 1 补偿导线法 为了使热电偶冷端温度保持恒定( 最好为o ) ，可以把热电偶做得很长，使冷 端远离工作端，并连同测量仪表一起放置到恒温或温度波动较小的地方。但这种方 法一方面安装使用不方便：另一方面也要耗费许多贵金属材料。因此一般是用一导 线( 称之为补偿导线) 将热电偶的冷端延伸出来，如图1 - 3 ，图中a 、b7 为补偿导 线：t n 为冷端温度：t o 为新冷端温度。这种补偿导线要求在0 1 0 0 范围内和所连 接的热电偶应具有相同的热电性能，而其材料又是廉价金属。 t o 图1 - 3 补偿导线在回路中的连接 施建政h 1 详细分析了热电偶补偿导线的正确使用方法。 1 2 2 温度传感器法 二端集成温度传感器法，即先利用温度传感器测出冷端温度t 0 ，通过分度表查 出电势e ( t o ，o ) ，热电偶输出为e ( t ，t o ) ，则 e ( t ，o ) = e ( t ，f o ) + e ( t o ，o ) ( 1 - 1 1 ) 由e ( t ，o ) 查表可以得出被测温度t 。如果冷端温度得到精确测量，配以合适的补 偿算法，那么补偿效果将会得到很好的改善。 郭瑞n 扪、蔡兵n 引、汪勇5 1 等人采用热电阻对热电偶冷端温度进行测量，但是热 电阻感温部分尺寸大，反应速度慢，电路复杂，容易产生误差。 1 3 主要研究内容 针对现在热电偶冷端补偿存在的问题，本论文主要进行了以下研究： ( 1 ) 改进补偿导线 经过对大量文献查阅，在现有的补偿导线方法的基础上，加以改进和总结，提 华北电力大学工程硕士专业学位论文 出冷端补偿效果更好、准确度更高的补偿导线使用方法。 ( 2 ) 设计补偿电路 在得到比较好的补偿导线使用方法后对补偿电路进行优化设计，使其更加简单 易操作，在加以最新的软件使其精度提高。 ( 3 ) 软件补偿法 利用集成温度传感器补偿法和单片机的结合，运用补偿算法实现冷端补偿。智 能芯片和计算机温度监控系统及软件的不断更新，为实现精度更高、处理方便、实 时监控、通用性强的冷端补偿方法提供了可能。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章冷端补偿导线应用分析 2 1 冷端补偿导线的补偿作用 在热电偶中应用补偿导线的补偿作用可以用中间温度定律来证明。假设热电偶 两极的材料分别是a 和b ，补偿导线所用的材料分别为a 和b ，那么这4 种材料 与二次仪表构成一个闭合的测温回路，正确的接线方法应是a 与a 相接，b 与 b 相接，如图2 - 1 所示。 7 l二次仪表 图2 - 1 补偿导线的正确连接 从这个测温回路来看，总的热电势包含两部分：各结点的接触电势和材料本身 两端温差造成的温度差电势。根据电子理论知，a 与b 结点在t 温度下的接触电势 为只占( r ) = ( k t q ) l n ( n in b ) ，由此可推得b 与b ，、b ，与a ，、a ，与a 各结点在 相应温度下的接触电势分别为： ( 瓦) = ( 码q ) l n ( n , ) p l ，a t f r o ) = ( k r o g ) l i i ( ) ( 2 - 1 ) 乃一( 瓦) = ( 弛q ) l n ( n # m ) 式r f l ，t 、t n 、t o 分别为各结点的温度，k ；n a 、n b 、n a 、n b 分别为热电极 和补偿导线各自的自由电子密度；q 为电子电荷量( 4 8 0 2 1 0 叫。绝对静电单位) ；k 为波尔兹曼常数，1 3 8 1 0 1 6 尔格度。 此回路中热电偶和补偿导线的温度差电势的代数和分别为： r e a 口= i ，( 一妒 0 ( 2 2 ) r e a = i ，( 一矽 式中，o 为汤姆逊系数，表示温差为l 时产生的电势值。 通过实验分析得出，回路中的温度差电势的代数和很小，基本上可以忽略不计， 因此整个回路中只考虑接触电势。由中间温度定律可得回路总热电势为： 1 4 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 = ( k t i # n z ( n a 了乏暑嬲；：筒i o l 域n , 悯i q ) l n ( n , 弘3 ，) + g ) h 1 鹏) + ( 硒m ) + ( 码m ) 。 其中 ，( 乙) + 0 _ ( 瓦) ( k 乙7 9 ) h 【( 虬7 ( m ，7 m ) 】( 2 - 4 ) = ( k 乙g ) 【l i l ( 以虬，) - l n ( n a 虬) 】= 只w ( 瓦) 一只占( l ) 。 弓w ( 瓦) = 只可( 写) ( 2 - 5 ) 则推导得出 e 肋w ( 丁，瓦，t o ) = 只8 ( 丁) + 只( 7 ：，) 一只占( 瓦) 一只拶( 瓦) ( 2 6 ) = 易占( 丁，乙) + 幺可( 乙，瓦) 、7 上述的推导结果表明，热电偶和补偿导线组成的回路中，在结点温度为t 、t 。、 t 。时，其总热电热等于热电偶在两端温度为t 与t 时的热电势和补偿导线在两端 温度为t 。与t 。时的热电势之代数和，因在一定温度范围( o 1 0 0 0 ) 内，补偿导线的 热电特性与所配电偶的热电特性一致，即邑矗( 瓦，瓦) = 只( 瓦，t o ) ，由此可得 幺肭( r ，瓦，瓦) = e 口( 丁，乙) + e 冒( 7 ：，瓦) = e b ( l 瓦) ( 2 7 ) 由此可知，当补偿导线与所配热电偶正负极连接正确时，即可将热电偶的冷端 温度由t n 移至t 0