E型熱電偶動(dòng)態(tài)響應試驗方法及數學(xué)模型

摘要:采用工控機、DataAcquisition34970A數據采集儀與TP17650M干式爐設計了一套熱電偶動(dòng)態(tài)響應試驗系統。重點(diǎn)試驗研究了E型熱電偶在不同工作溫度下、不同偶絲直徑與不同置入深度對該溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響;在此基礎上，采用MATLAB軟件對試驗數據進(jìn)行了數學(xué)建模與研究，得出了E型熱電偶動(dòng)態(tài)響應數學(xué)模型，指出在實(shí)際測溫時(shí)應該從工作溫度、安裝深度、熱電偶直徑等多方面進(jìn)行選擇，以確保測溫的正確性和可靠性，間接地為該類(lèi)型熱電偶在設置“單點(diǎn)”保護閾值方面提供了必要的理論依據和實(shí)踐指導，同時(shí)也為其它標準熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性試驗和設置“單點(diǎn)”保護閾值方面提供了一定的借鑒作用。

0引言

熱電偶作為火電廠(chǎng)中常用的測溫裝置,測量的正確性與可靠性對于熱工過(guò)程的自動(dòng)控制顯得重要，尤其是在DCS控制回路以及輔控系統里，溫度“單點(diǎn)’保護閾值設定的合理與否,會(huì )引起控制系統保護的“誤動(dòng)”與“拒動(dòng)”。根據調研發(fā)現，目前火電廠(chǎng)中溫度“單點(diǎn)”保護閾值的設置值會(huì )從十幾度到幾十度甚至.上百度均有，沒(méi)有統一的參考與規范，同時(shí)這些隨意的設定值會(huì )導致溫度測量裝置的燒損、回路的異常等現象時(shí)有發(fā)生,進(jìn)而造成溫度信號的失真”，引起機組的非計劃減出力或停運,給電力系統帶來(lái)巨大損失。

為此，不少業(yè)內專(zhuān)家學(xué)者針對熱電偶測溫特性進(jìn)行過(guò)相關(guān)動(dòng)態(tài)試驗方法的設計與測試工作。上述研究與分析旨在解決熱電偶測溫時(shí)遇到的各種問(wèn)題的困擾。本文基于現狀設計了一套溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應測試方案，通過(guò)該試驗平臺測試了在不同工作環(huán)境溫度下、不同偶絲直徑、不同置入深度下E型熱電偶的動(dòng)態(tài)響應特性，并且建立了相應的數學(xué)模型，為該類(lèi)型熱電偶在設置“單點(diǎn)”保護閾值方面提供了必要的理論依據和實(shí)踐指導作用。

試驗方案

1.1硬件設備

本次試驗采用DataAcquisition34970A數據采集儀、TP17650M校驗儀為標準熱源，通過(guò)工控機將該硬件進(jìn)行連接,對E型熱電偶進(jìn)行了試驗研究與分析。

1.2試驗系統

如圖1所示，設計該試驗系統。

如圖1所示，該動(dòng)態(tài)響應試驗系統包括熱標準源、被測熱電偶(E型熱電偶)、數據采集卡、安捷倫數據采集儀、電源和工控機。工控機通過(guò)RS-232串口與數據采集儀相連，通過(guò)工控機.上對應的數據采集軟件，將試驗讀取的數據記錄在工控機中。

1.3試驗步驟

(1)校驗溫度:將E型熱電偶接入測試系統中，通過(guò)設定標準熱源溫度為100C、300C、500C與熱電偶實(shí)測溫度進(jìn)行比較校驗，以保證熱電偶測溫的正確性;

(2)設定工作溫度:啟動(dòng)熱源(干式校驗爐),將熱源的溫度設定為試驗所需的溫度值,將熱電偶置入熱源之中,監測數據采集儀上顯示的溫度值,當熱電偶到達設定值之后，進(jìn)行溫度突升、突降的“動(dòng)態(tài)”試驗;

(3)數據采集:將工控機采集時(shí)間設置為1秒,在工控機頁(yè)面點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕,開(kāi)始進(jìn)行溫度突升、突降的“動(dòng)態(tài)階躍”試驗,注意本試驗過(guò)程中,置入深度對熱電偶測溫的影響很大，因此在進(jìn)行升溫、降溫實(shí)驗過(guò)程中，要始終控制保持熱電偶置入深度不變;

(4)“階躍”溫度突升試驗:在熱電偶到達設定值之后，將熱電偶取出使其冷卻到實(shí)驗溫度之后迅速置入爐中(模擬階躍信號的輸入),在此過(guò)程中密切監視數據采集儀.上溫度的變化。在熱電偶回歸到設定值并穩定之后，點(diǎn)擊工控機頁(yè)面“停止采集”按鈕，保存實(shí)驗數據;

(5)“階躍”溫度突降試驗:在熱電偶到達設定值之后，改變熱源的設定值到實(shí)驗值,開(kāi)始降溫。在熱電偶達到實(shí)驗值并穩定之后，點(diǎn)擊工控機頁(yè)面“停止采集按鈕，保存實(shí)驗數據;

(6)改變熱標準源的溫度設定值,在不同的溫度設定值下進(jìn)行溫度“階躍”試驗，并且對每一-個(gè)溫度的“階躍”,改變熱電偶置入干式爐的深度,重復步驟2,對熱電偶進(jìn)行溫度突升、突降的“階躍”試驗，以便得到E型熱電偶的階躍響應曲線(xiàn)以及數學(xué)模型。

2階躍響應特性研究

2.1“階躍”試驗模型

根據試驗步驟,以E型熱電偶為例，正常工作溫度分別設置在200C、300C、400C、500C以及550C，階躍溫度變化在+10C和+15C,置入深度分別在5cm、8cm、11cm以及14cm時(shí);首先將試驗采集到階躍溫度數據通過(guò)數據采集卡讀取到工控機中，一共獲取幾萬(wàn)組數據，再將該數據讀取到MATLAB中,通過(guò)MATLAB對得到的實(shí)驗數據進(jìn)行提取、分離出時(shí)間量與溫度量,通過(guò)擬合公式以獲得響應時(shí)間與溫度變化之間的關(guān)系。該過(guò)程擬合了80個(gè)公式，20張動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn)圖，現以工作溫度為300C時(shí)動(dòng)態(tài)試驗進(jìn)行說(shuō)明,以表1所示。同時(shí)，根據表1繪制了其對應的階躍響應曲線(xiàn)，為了方便比較,這里將同一溫度,同一階躍溫度的曲線(xiàn)放在一起，以響應時(shí)間為橫坐標，以熱電偶測量溫度為縱坐標繪制階躍響應曲線(xiàn)，如圖2所示。

2.2“動(dòng)態(tài)”試驗分析

從E型熱電偶溫度設定值為300C的動(dòng)態(tài)響應曲線(xiàn)來(lái)看,可以獲知以下幾點(diǎn)結論:

(1)“動(dòng)態(tài)”升溫實(shí)驗中，熱電偶升溫趨勢一致;隨著(zhù)插入深度的增加，熱電偶升溫的響應時(shí)間減少;插入深度為14cm時(shí)響應時(shí)間最短;階躍溫度為15C時(shí)比階躍溫度為10C時(shí)的響應時(shí)間要短;

(2)降溫實(shí)驗中,隨著(zhù)置入深度的增加，熱電偶的響應時(shí)間基本保持不變;階躍溫度為15C時(shí)比階躍溫度為10C時(shí)的響應時(shí)間要短;

(3)置入深度為5cm時(shí),測量誤差較大;

(4)測溫曲線(xiàn)后期不穩定，會(huì )出現曲線(xiàn)波動(dòng)情況。

由此可以看出，當使用該熱電偶測溫時(shí)，隨著(zhù)安裝地點(diǎn)與被測溫度點(diǎn)的不同，最大溫升率閾值的設置也要根據具體情況來(lái)設置，否則如果設定不當，則會(huì )引起控制系統誤動(dòng)作,進(jìn)而引起機組的非計劃停機。

3數學(xué)建模

3.1溫度、響應時(shí)間與置入深度間的關(guān)系

為了建立響應時(shí)間與置入深度以及工作溫度之間.的關(guān)系，需要對實(shí)驗得到的數據進(jìn)行三維擬合,讀出熱電偶在不同的階躍溫度下、不同深度以及不同溫度設定值的響應時(shí)間的變化趨勢及規律。由表2所示。

表2E型熱電偶響應時(shí)間數據表

溫度/℃	深度/cm	階躍溫度+10℃響應時(shí)間/s	階躍溫度+15℃響應時(shí)間/s	階躍溫度－15℃響應時(shí)間/s	階躍溫度－10℃響應時(shí)間/s
200	5	260	323	443	425
200	8	149	314	482	463
200	11	217	296	472	420
200	14	183	53	469	362
300	5	215	302	469	414
300	8	223	231	429	385
300	11	115	146	388	344
300	14	75	91	402	333
400	5	196	257	416	444
400	8	240	253	398	398
400	11	215	244	399	362
400	14	278	219	358	300
500	5	219	208	414	357
500	8	147	204	416	367
500	11	150	106	278	287
500	14	154	154	292	320
550	5	155	337	320	281
550	8	267	194	335	364
550	11	59	291	458	285
550	14	280	291	276	257

根據上表，可以得出表3所示的公式。

3.2分析與討論

根據公式及擬合圖像分析，可以得出下面四點(diǎn)結論：

(1)階躍溫度為+10C:

①在溫度為200C、300C時(shí),隨著(zhù)深度的增加，響應時(shí)間先減小后增加;在溫度段為400C、500C、550C時(shí)，隨著(zhù)插入深度的增加，響應時(shí)間先增加后減小最后又增加。

②在置入深度為5cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加,響應時(shí)間減小;在置入深度為8cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間先增加后減小;置入深度為11em時(shí),隨著(zhù)溫度設定值增加,響應時(shí)間減小;插入深度為14cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間先減小后增加。

(2)階躍溫度為+15C:

①在溫度段為200C、300C、400C時(shí)，隨著(zhù)深度的增加,響應時(shí)間減小;在溫度段為500C、550C時(shí),隨著(zhù)插入深度的增加，響應時(shí)間先減小后增加。

②在插入深度為5cm、8cm、11cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間先減小后增加;在插入深度為14cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間增加。.

(3)階躍溫度為-15C:

①在溫度段為200C、300C時(shí)，隨著(zhù)深度的增加，響應時(shí)間基本保持不變;在溫度段為400C、500C時(shí)，隨著(zhù)置入深度的增加，響應時(shí)間減小;在溫度段為550C時(shí)，隨著(zhù)置入深度的增加，響應時(shí)間先增加后減小;

②在插入深度為5cm、8cm時(shí),隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間減小;在插入深度為11cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間先減小后增加;在插入深度為14cm時(shí),隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間減小。

(4)階躍溫度為-10C:

①在溫度段為200C、300C時(shí)，隨著(zhù)深度的增加，響應時(shí)間先增加后減小;在溫度段為400C、500C、550C時(shí)，隨著(zhù)插入深度的增加,響應時(shí)間先增加后減小再增加;

②在置入深度為5cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加,響應時(shí)間先增加后減小;在置入深度為8cm、11cm、14cm時(shí)，隨著(zhù)溫度設定值增加，響應時(shí)間減小。

4結論

綜上，設計了溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應試驗方案,并以E型熱電偶為研究對象，在該平臺上完成了試驗工作,對不同工作溫度下、置入深度、動(dòng)態(tài)響應時(shí)間它們三者之間的關(guān)系進(jìn)行了數學(xué)建模的研究與分析，得出以下三點(diǎn)結論:

(1)在相同溫度下，“動(dòng)態(tài)階躍”升溫時(shí)，隨著(zhù)置入深度的增加，E型熱電偶的響應時(shí)間先減小后增加，故要求在進(jìn)行熱電偶安裝時(shí)，需要注意置入深度“動(dòng)態(tài)階躍”降溫時(shí),E型熱電偶的響應時(shí)間基本保持不變。同時(shí)，“動(dòng)態(tài)階躍”溫度值越大(突升或突降變化值)，響應時(shí)間越短,此時(shí)需要充分考慮安裝地點(diǎn)與被測溫度不同時(shí)，“閾值”的設定要根據現場(chǎng)情況而定，否則會(huì )引起控制系統誤動(dòng)作;

(2)被測溫度不同時(shí),在“動(dòng)態(tài)階躍”升溫或降溫時(shí)，隨著(zhù)置入深度的不同“階躍”響應時(shí)間趨勢也不同;同時(shí)置入深度不同時(shí)，“階躍”響應時(shí)間趨勢也不同,故有響應時(shí)間,為設置“閾值”提供理論依據,因而在安裝時(shí)，需要根據被測溫度范圍與安裝要求進(jìn)行“閾值”設定;

(3)數學(xué)模型的建立方法,對其它相關(guān)熱電偶的動(dòng)態(tài)特性試驗有一定借鑒作用，同時(shí)也為其它溫度傳感器.的動(dòng)態(tài)試驗模型作出了相關(guān)參考。