熱電偶在高線(xiàn)廠(chǎng)加熱爐的應用

[摘要]溫度測量應用中，熱電偶因其測溫范圍廣、可靠性以及較快的響應速度得到了普遍應用。本文討論了熱電偶的基本工作原理，包括參考端(冷端)的定義和功能,還給出了補償導線(xiàn)類(lèi)型,以及熱電偶在高線(xiàn)廠(chǎng)加熱爐的具體應用。
前言
      溫度測量應用中有多種類(lèi)型的測溫元件，熱電偶是常用的一種，廣泛用于石油、冶金等領(lǐng)域的工業(yè)控制。與RTD、電熱調節器、溫度檢測集成電路(IC)相比，熱電偶優(yōu)點(diǎn)是:
①測量精度高。
②測量范圍廣。
③構造簡(jiǎn)單，使用方便。

      在高線(xiàn)廠(chǎng)熱電偶用來(lái)測量加熱爐各個(gè)階段的不同溫度，對加熱爐燃控系統有著(zhù)至關(guān)重要的作用，同時(shí)也是控制節能降耗的一個(gè)重要依據。
1、熱電偶工作原理
      熱電偶是差分溫度測量器件，它由兩段不同成分(金屬/合金)的導體焊接而成,一段用作正端,另一段用作負端。兩種不同類(lèi)型的金屬接焊接在-起后形成兩個(gè)結點(diǎn)，如圖la所示，環(huán)路電壓是兩個(gè)結點(diǎn)溫差的函數。這種現象稱(chēng)為Seebeck(塞貝克)效應，。圖1a所示，測量電壓VOUT是檢測端(熱端)結電壓與參考端(冷端)結電壓之差。因為VH和VC是由兩個(gè)結的溫度差產(chǎn)生的，VOUT也是溫差的函數。α為定標因數，對應于電壓差與溫差之比，稱(chēng)為Seebeck系數。
      圖lb所示是一種常見(jiàn)的熱電偶應用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個(gè)額外的節點(diǎn)。本例中，每個(gè)開(kāi)路端與銅線(xiàn)電氣連接，這些連線(xiàn)為系統增加了兩個(gè)額外節點(diǎn)，只要這兩個(gè)節點(diǎn)溫度相同，中間金屬(銅)不會(huì )影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒(méi)有獨立參考結點(diǎn)的條件下使用。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱端的實(shí)際溫度，冷端溫度必須是已知的。
冷端溫度為0℃(冰點(diǎn))時(shí)是一種簡(jiǎn)單的情況，如果TC=0℃,則VOUT=VH。利用冰點(diǎn)作為參考點(diǎn)，通過(guò)查找相關(guān)類(lèi)型熱電偶電壓特征數據與溫度對應關(guān)系表格中的VH,就可以確定熱端溫度。
2、冷端補償
      在熱電偶應用初期,冰點(diǎn)被當作熱電偶的標準參考點(diǎn)，但在大多數應用中獲得-一個(gè)冰點(diǎn)參考溫度不太現實(shí)。如果冷端溫度不是0℃,那么，為了確定實(shí)際熱端溫度必須已知冷端溫度?？紤]到非零冷端溫度的電壓，必需對熱電偶輸出電壓進(jìn)行補償，既所謂的冷端補償。
      如上所述，為了實(shí)現冷端補償，必須確定冷端溫度，這可以通過(guò)任何類(lèi)型的溫度檢測器件實(shí)現。在通用的溫度傳感器IC、電熱調節器和RTD中，不同類(lèi)型的器件具有不同的優(yōu)、缺點(diǎn)，需根據具體應用進(jìn)行選擇。
      對于精度要求非常高的器件,經(jīng)過(guò)校準的鉑RTD能夠在很寬的溫度范圍內保持較精度高，但其成本很高。精度要求不是很高時(shí)，熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性?xún)r(jià)比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測溫范圍，而傳感器IC具有更高的線(xiàn)性度,因而性能指標更好--些。修正熱敏電阻的非線(xiàn)性會(huì )占用較多的微控制器資源。溫度傳感器IC具有出色的線(xiàn)性度，但測溫范圍很窄。
總之，必需根據系統的實(shí)際需求選擇冷端溫度測量器件，需要仔細考慮精度、溫度范圍、成本和線(xiàn)性指標，以便得到性?xún)r(jià)比。
3、熱電偶電壓轉換成溫度的數學(xué)計算方法
      一旦建立了冷端補償方法，補償輸出電壓必須轉換成相應的溫度。一種簡(jiǎn)單的方法既是使用NBS(美國國家標準局)提供的查找表，用軟件實(shí)現查找表需要存儲器，查找表對于連續的重復查詢(xún)提供了一種快速、的測量方案。將熱電偶電壓轉換成溫度值的另外兩種方案比查找表復雜一些，這兩種方法是:
(1)利用多項式系數進(jìn)行線(xiàn)性逼近;
      軟件線(xiàn)性通近只是需要預先確定多項式系數，不需要存儲，因而是一種更通用的方案。缺點(diǎn)是需要較長(cháng)時(shí)間解多階多項式，多項式階數越高，處理時(shí)間越長(cháng)，特別是在溫度范圍較寬的情況下。多項式階數較高時(shí)，查找表相對提供了一種精度更高、更有效溫度測量方案。
(2)對熱電偶輸出信號進(jìn)行模擬線(xiàn)性化處理。
      出現軟件測試方案之前，模擬線(xiàn)性化常被用來(lái)將測量電壓轉換成溫度值(除了人工查找表檢索外)。這種基于硬件的方法利用模擬電路修正熱電偶響應的非線(xiàn)性。其精度取決于修正通近多項式的階數，在目前能夠測試熱電偶信號的萬(wàn)用表中仍采用這種方法.
4、熱電偶的種類(lèi)、結構、補償導線(xiàn)及變質(zhì)判斷
      常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類(lèi)。標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關(guān)系、允許誤差、并有統一的標準分度表的熱電偶，它有與其配套的顯示儀表可供選用。非標準化熱電偶在使用范圍或數量級上均不及標準化熱電偶，一般也沒(méi)有統--的分度表,主要用于某些特殊場(chǎng)合的測量。標準化熱電偶我國從1988年1月1日起，熱電偶和熱電阻全部按IEC國際標準生產(chǎn)，并指定s、b、e、k、r、j、t七種標準化熱電偶為我國統一設計型熱電偶。
為了保證熱電偶可靠、穩定地工作，對熱電偶的結構要求如下:
①組成熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固;
②兩個(gè)熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路;
③補償導線(xiàn)與熱電偶自由端的連接要方便可靠;
④保護套管應能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。
      由于熱電偶是由貴金屬制成的，它的長(cháng)度有限，在實(shí)際測溫時(shí)，常將冷端放置到一-個(gè)溫度比較恒定的場(chǎng)所。通常采用-種廉價(jià)金屬導線(xiàn)，來(lái)代替熱電偶，將電極加長(cháng)，使冷端延伸，這種導線(xiàn)稱(chēng)為補償導線(xiàn)。不同分度號的熱電偶產(chǎn)生的熱電勢不同，只有當補償導線(xiàn)的特性與熱電偶--致，才能起到補償作用。在使用熱電偶補償導線(xiàn)時(shí)必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線(xiàn)與熱電偶連接端的溫度不能超過(guò)100℃.
      熱電偶為S型和K型熱電偶，所以所選補償導線(xiàn)為SC和KC型銅-銅鎳補償導線(xiàn)。
      熱電偶經(jīng)一-段時(shí)間使用，由于熱電極變質(zhì)，熱電勢可能發(fā)生變化、判斷熱電偶變質(zhì)的方法是:根據熱電偶的色變程度就可以判斷。例如:鉑銠一鉑熱電偶的熱電極呈灰白色，有少量光澤，則說(shuō)明有輕度變質(zhì);呈現乳白色而沒(méi)有光澤，則為中度變質(zhì);呈現黃色或硬化，則為較嚴重變質(zhì);呈黃色、變脆、有麻面時(shí)，則變質(zhì)嚴重。由于鉑銠和鉑是貴重金屬材料，對變質(zhì)的電極可以用清洗和退火處理來(lái)回收使用。又例如鎳鉻--鎳鋁熱電偶的熱電極，變質(zhì)時(shí)，由于程度不同，分別呈現白色、黃色、綠色等。對于變質(zhì)的鎳鉻一鎳鋁熱電偶，一般是剪去變質(zhì)部分，重新焊接使用。
5、熱電偶在高線(xiàn)廠(chǎng)加熱爐的使用
5.1西門(mén)子PLC模擬量輸入通道測量方法和量程選擇
設定模塊測量方法和測量范圍主要用STEP7和量程卡。
量程卡可以設定為一下設置“A”、“B”、“C"和“D”。其中各字母含義為:“A”為熱電阻、熱電偶;“B”為電壓;“C”為四線(xiàn)制電流;“D”為二線(xiàn)制電流。
5.2有內部補償的熱電偶進(jìn)行接線(xiàn)和連接
      我廠(chǎng)設計選用AI模板為SM331AI8XTC(6ES7331-7PF11-0AB0)，此模板為電氣隔離型熱電偶測量專(zhuān)用模板，有內部補償和外補償功能可選。本單位熱電偶與AI模板連接方式采用如圖2所示為內部補償連接方式。

      入模塊的端子.上建立參考點(diǎn)。在這種情況下，將補償線(xiàn)路直接連接到模擬量模塊.上。內部溫度傳感器會(huì )測量模塊的溫度并返回補償電壓。注意，內部補償沒(méi)有外部補償正確。
      將熱電偶直接連接到模塊的輸入端，或者通過(guò)補償線(xiàn)路間接連接到模塊輸入上。每個(gè)通道組都可以使用模擬量模塊支持的各個(gè)類(lèi)型的熱電偶，而與其它通道組無(wú)關(guān)。對帶內部補償的熱電偶進(jìn)行接線(xiàn)，并連接到電氣隔離模擬量輸入。
5.3不同參比接點(diǎn)溫度補償方法的連接方式

每個(gè)熱電偶的饋線(xiàn)中帶補償盒的外部補償(接線(xiàn)和連接如圖對帶補償盒的熱電偶進(jìn)行接線(xiàn)并連接到電氣隔離模擬量輸入和對帶參比接點(diǎn)的熱電偶進(jìn)行接線(xiàn)并連接到電氣隔離模擬量輸入)

使用各個(gè)熱電偶的饋線(xiàn)中彼此互連的補償盒測量并補償參比接點(diǎn)溫度(熱電偶外部比較)。，無(wú)需對模塊的信號做進(jìn)一步處理。

      僅適用于SM331AI8xTC，可以用(鉑或鎳)電阻溫度計帶有用于記錄參比接點(diǎn)溫度的測量參考溫度，并計算模塊電阻溫度計的外部補償中熱電偶的溫度。
5.4熱電偶在STEP7軟件中的設置與處理
STEP7軟件中，在硬件組態(tài)時(shí)熱電偶模板SM3318XTC需要設置每個(gè)通道的參考端補償方式，其選項有以下四種:
1)TC-IL:線(xiàn)性、內部比較(內部冷端補償，即內部傳感器測溫)
2)TC-EL:線(xiàn)性、外部比較(外部冷端補償，即外接熱電阻或溫度補償盒)
3)TC-L00℃:(熱電偶，線(xiàn)性，0℃參考溫度)
4)TC-L50℃:(熱電偶，線(xiàn)性，50℃參考溫度)我廠(chǎng)所用熱電偶為S型和K型兩種，采用TC-IL補償方式。
SM331AI8xTC的三種工作模式:
a)8通道硬件濾波器:是最慢的工作模式，更新時(shí)間為190ms。噪聲抑制會(huì )影響所有的干擾頻率(50Hz、60Hz和400Hz)，可以使用8個(gè)通道。
b)8通道軟件濾波器:可根據設置的干擾頻率抑制參數(50Hz或60Hz或400Hz)提供90dB的噪聲抑制。被分配為參數的干擾頻率會(huì )影響更新時(shí)間(由所有通道組的最小設置干擾頻率確定)，更新時(shí)間為166ms。
c)4通道硬件濾波器:是最快的工作模式，更新時(shí)間為10ms。噪聲抑制會(huì )影響所有的干擾頻率(50Hz、60Hz和400Hz)，但是只能使用4個(gè)通道(每個(gè)組-一個(gè)通道)。
通過(guò)設置可以在短更新時(shí)間和高干擾頻率抑制之間取得平衡。濾波度越高，數字過(guò)濾器的時(shí)間常數越大，抗干擾能力越強，但相應信號的微小變化也可能被過(guò)濾，因此應根據實(shí)際情況進(jìn)行設置。
6、結束語(yǔ)
      熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如，線(xiàn)性特性較差。雖然它們與RTD、溫度傳感器IC相比可以測量更寬的溫度范圍，但線(xiàn)性度卻大打折扣。除此之外，RTD和溫度傳感器IC可以提供更高的靈敏度和精度，可理想用于正確測量系統。熱電偶信號電平很低，常常需要放大或高分辨率數據轉換器進(jìn)行處理。如果排除上述問(wèn)題，熱電偶易使用、寬溫度范圍使其得到廣泛使用。