电工电子技术在电厂测温领域中的应用

1、电工电子技术在电厂测温领域中的应用摘要：在热电厂这类企业中，温度对循环的效率及生产安全有很大的影响，因此整个生产过程要随时对温度 进行测量,以达到，对机炉的检测、调整、控制的目的 保证系统的连续安全运行。本文介绍了温度测量的 相关知识，介绍了 “接触式”和“非接触式”两大类方法，并分别举例说明了介绍了其在在热电厂中的应用 情况。1关于温度及测量的基本概念温度是表征物体冷热程度的物理量，是一个很重要的物理参数。在自然界中，任何物理、化学过程都 紧密地与温度相联系，物质的许多物理现象和化学性质也都与温度有关。因此工业生产和科学实验都经常 需要测量温度参数。在热电厂这类企业中，温度作为一个最基本的状

2、态参数，直接影响到动力循环的进程， 影响到热电厂的效率及安全性，因此整个生产过程要随时对温度进行测量，以达到对机炉的检测、调整、 控制的目的，保证系统的连续安全运行。而热电厂中有众多热力学过程，涉及到水蒸汽、气体、乏汽、烟 尘等各种物质，锅炉、汽轮机、回热器等系统以及蒸汽动力循环、回热循环、再热循环等各种循环，每一 过程都受到温度的影响，对温度的测量比较复杂。温度测量在国民经济、国防建设、科学研究及日常生活中随处可见，其作用也是不言而喻。例如在热 电厂的生产过程中，锅炉内的温度监控不当可能引起停产甚至爆炸事故，如何选择测量方式正确测量温度 至关重要。我们常常把温度测量分成高、中、低三种温度范围

3、。一般称0C以下为低温，0630 C为中温，630 C 以上称高温超过4000 C以上常称超高温，进人等离子体测温范畴。在生活及工业实践中人们发现，很多 物质的物理特性都与温度有关,如物体的体积、尺寸变化、密度、硬度、弹性模量、导电率、导热率、热 电势、光电辐射强度等都是随着温度的改变而按某种规律变化。利用这些物质的相关特性作为测量温度的 依据,可做成“温度计”。温度计按其工作方式可分为接触式、非接触式2类，这2类测温装置在热电厂均 有广泛的应用。2基本测量原理及方法2.1两种测温方法比较温度计按其工作方式可分为接触式、非接触式2类，这2类测温装置在热电厂均有广泛的应用。所谓 直接测温法就是将

4、测温敏感元件与被测物体直接接触的方法，当敏感元件与被测对象达到热平衡时由温 度的定义可知，此时敏感元件的温度就指示了被测物体的温度。热电偶电阻温度计等都是典型的直接测 温的仪器。这种方法比较直观、测量准确，方法简便，但也有不少缺点，如高温高压或强腐蚀性环境对测 温仪器的损坏较大，影响使用寿命。同时接触式仪表需要将传感器预埋到被测元件中，可有些情况下不方 便实现甚至无法实现，即使实现也可能影响到被测温场的分布，此时就需要使用非接触式测温仪器来对物 体的温度进行测量。非接触式测温仪器不需要与被测系统直接接触，而是将利用与温度有关的辐射、波等物理量，并将之 转换成电信号分析处理。由于不需要与被测物接

5、触，在测量中不会由于引入测量元件而影响到被测温场的 分布；测量元件也不需要达到与被测介质相同的温度因此可以有较高的测温上限；最后，因为它是利用光 辐射特性，所以可以实现快速测量。不难发现，非接触式测量相比传统的接触时测量有众多优点，因此有 逐渐替代传统测温方式的趋势。最常用的非接触式测量是利用物质的热辐射特性进行测量。例如电厂要 监控主变接头和各种开关的温度，但由于这类设备电压较高且采样点不易获得，因此用非接触式的红外测 温就方便很多，准确性也比较高，又如,电缆沟是电厂的重要场所，也是容易发生火险的地方，若在电缆沟装 设光电传感器对沟内的烟尘、温度进行实时监控，就可及时发现火情,以减少损失。2

6、.2接触式测温原理B图I温差电现象B图I温差电现象热电偶也简称为热偶，是由两种不同的金属丝组成闭 合回路，由于两接点处温度不同而产生电势差，用此电 势差的大小来衡盘温度的高低。金属中都含有不断快速 运动且受到电场力约束的自由电子，当电子的动能大于 金属的逸出功时电子才可能挣脱出来形成电流。相连的 不同金属其电子逸出功不同，自由电子密度也不相同， 因此产生接触电位差，闭合回路的两金属丝如图1所示。 热电偶有以下基本定律：（1）只有不同的导体材料组成 热电偶且两端点间的温度不同时，才能产生热电势。（2） 同种材料组成热电偶，即使两接点的温度不同，回路总热电势也等于零。（3）当在热电偶中插入第3种材

7、料, 只要插入材料两端温度相同，就对热电偶的总热电势没有影响。这一定律有明显的实际意义因为利用热电 偶来测量温度时，需要在热电偶回路中接入电气测量仪表，也即接入第3种材料。推导出的电压公式如下：E - Uab（7） + %（TD 一 Uab（7）-Uab（TD处*由上式可知，当热电偶的两种材料确定时，电压只与冷热两端温度有关，当冷接点温度固定时，则热电势2是热接点温度二的单值函数，测出E出便可测出热端温度。目前常用铂铑热电偶进行温度的测量。2.2.2热电阻导体的电阻率随温度的变化而变化，从而电阻值也随温度而变化，对于很多物质而言，具有 相当稳定的关系,一般大多数金属在温度变化范围不大时，电阻与

8、温度的关系可表示为Rt = R0 1 + a （ t - t0）式中Rt和R0表示温度为t和t0时的电阻值为材料的电阻温度系数。试验表明，大多数金属当温度升高1 C时，电阻要增加014 %016 %。所以测出电阻值及初始温度，便可测出温度。热电阻分为金属热电阻（又称热电阻）和半导体热电阻（又称热敏电阻）。常见的热电阻有铂、铜热电阻， 如发电机在铁芯出风段位置的齿部、轭部和在指定槽内的上、下层线棒之间装有PT100型电阻测温元件（- 200 C650 C）,用于监测铁芯温度和三相绕组的温度。常见的热敏电阻是由一些金属氧化物（如钻、锰、 镍等氧化物）采用不同比例的配方，经高温烧结而成，它主要由热敏

9、元件、引线和壳体组成。热敏电阻精度 高、成本低，几乎无老化现象，而且响应速度快，热时间常数仅为0.110.12S，但其使用温度受到了一定 的限制。2.3非接触式测温原理由于接触式测温法不能实现温度的实时全面的监测，高温、高压和有害介质条件也会损坏测量仪器使 温度的监测难以持续进行。而采用非接触式测温，只需把温度计的光学接受系统对准被测物体，不必与之 进行热接触，故不会对待测物体造成任何干扰，从而可实现温度（测温上限大大提高）的无损实时监测。 对该温度计的光学进行适当设计，还能实现三维空间的温度分布测量。因此，将非接触式测温技术应用于 高炉的温度在线实时监测，具有重要的意义。常见的非接触式测温方

10、法有辐射测温法、原子谱线线宽测温法等，电工电子技术在非接触式测温方法 中主要是用在信号转换中。非接触式测温方法检测到的一般是非电量信号，其传递存在很大的局限性，要 实现控制更是难上加难，所以通常是将这些非电量信号转换成电信号进行间接传递和控制。实际测量到的 信号来源于测试物理量的测量仪器及传感器，接收的信号往往很小而且易受干扰，在加工信号前要进行预 处理，根据实际情况利用隔离、滤波、阻抗匹配、补偿等技术手段，将信号分离出来并放大。当信号足够 大时再进行信号的运算、转换、比较和保存等不同的加工。按功能划分，模拟电子系统主由以下几种模拟电路组合而成:（1）放大电路：用于信号的电压、电流和功率的放大

11、。（2）滤波电路：用于信号的提取和变换。（3）运算电路：用于信号的加、减、乘、除、微分、积分、对数和指数运算。（4）转换电路：用于电压信号与电流信号之间、交流信号与直流信号之间或电压信号与频率信号之间的转换等。（5）信号发生器：用于产生正弦、矩形、三角形等波形。（6）直流电源：将220V市电转换成不同输出电压和电流的直流电，作为各种电子电路本身的供电电源。我们课堂上所学习的二极管、三极管放、运算放大器、场效应管放大电路、差分放大电路、正弦信号 发生器、整流电路、滤波电路等原理合方法都在模拟电子系统中得到了充分的应用。但由于这类电子系统 设计灵活种类繁多加之所学知识有限，就不展开讨论了。3 .温

12、度测量实例3.1锅炉高温受热面炉内壁温测量方法触式测温在大容量电厂锅炉设计中，屏式过热器、高温对流过热器和高、低温再热器的炉外单管管壁上沿烟 道宽度方向都装有一定数量的壁温测点，以便在锅炉运行过程中监控 受热面金属的工作可靠性。但实际上这些壁温测点测得的是过热器、 再热器单管管圈的炉外蒸汽温度，而炉内管处于受热状态，温度水平 远高于炉外蒸汽温度。锅炉内壁有一定的受热限度，长期处于高温高 压状态有可能引起超温爆管等事故，所以有必要直接测量受热面炉内 壁温炉内壁温。实际中采用如图布置方案分析炉内壁温测点的工作条 件，其炉内换热条件可简化示如图，在热平衡条件下测量值与实际值可表示为;式中k为热电偶与

13、管壁间的传热系数,F为热接点与管壁的接触面积,Qi 为烟气向热接点的传热，Q2为沿热电偶轴线向热接点的传热。经过误差 分析这种测量方法测量值比实测值高79C，与炉内高温相比误差很 小。采用这种工艺实现了对高温受热面下部的炉内壁温的测量，而且 扩大了炉内壁温的测量范围，测点寿命和测量精度能满足一般高温受 热面工业及科研的需求。可表示为;3.2燃煤锅炉火焰温度测量一非接触式测温锅炉内火焰温度较高，而且含有较多灰粒、焦炭等固体颗粒，显然无法通过放置接触式测量工具测温。 同时煤粉火焰属于不透明发光火焰且成分复杂，也不满足一般的非接触式测量方法的要求。目前国内外市 场中已有的单波段光学高温计，但测量时需

14、要预先输入被测表面的灰度值，且不能消除测量中其他因素的 影响，因此测量误差较高。而能够消除灰度影响的双波长光学高温计，由于没有考虑环境辐射的干扰及火 焰中固体颗粒的散射作用，精度不高。实际中根据普朗克定律建立了一种四波长测温模型，把炉壁的辐射 干扰和固体颗粒的散射作用都加以考虑，并且不设置参考辐射源可实现快通准确+方便地测量出火焰温度 的目的。如图，光学探头收集被测体确定靶点的辐射能量，将光信号传输到分光系统分光后在四个出口狭缝处由物理模型的推导及处理较为复杂且跟电工学关系不大，在此略去。这里利用了信号转换系统，将可以测量 的光学量，通过光电转换装置及信号放大处理变成电学量，再用计算机进行物理

15、模型的处理，得到了温度 值，这种方法是电工电子技术在非接触式测量中应用的典型代表。3.3瞬态高温测量系统一一“接触-非接触式”测温冶金、石油化工、建材、武器研制等工程技术中常涉及到高温、强浸蚀介质、强热震性测量变化的高 温数据很难通过传统的热响应速率较慢的热电偶得到。尽管随着科学技术的发展辐射测温技术有了显著 突破，但大部分传感器测温范围低，响应速度慢，不能满足瞬态温度测量的要求，因此出现了复合式光纤 高温测量系统。测量系统如图所示，主要由黑体腔探头、透镜组、光纤准直器、传输光纤、光纤环行器、光纤光栅滤 波器、光电探测器、信号放大电路、数据采集系统和计算机构成。测量时将耐高温的黑体腔直接接触被测高温源，黑体腔受热发出的黑体辐射通过一个密闭空间传递到与高温源直接接触的光纤探头光纤探头由透镜组和光纤准直器构成，可将辐射光耦合入 传输光纤；信号光经传输光纤从测量现场传至光纤 环行器端口 1,由端口2输出的光经光纤光栅滤波器 后返回端口2,由端口3头由透镜组和光纤准直器构成，可将辐射光耦合入 传输光纤；信号光经传输光纤从测量现场传至光纤 环行器端口 1,由端口2输出的光经光纤光栅滤波器 后返回端口2,由端口3输出的信号光经光电探测器 转变为电压信号，再经信号放大和数据采集。此测量 系统具有响应时间短，稳定性高，重复性好,抗电磁 干扰性能强等众多优点，能测量特殊环境下的瞬态