熱電偶在高線廠加熱爐的應用

[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,還給出了補償導線類型,以及熱電偶在高線廠加熱爐的具體應用。
前言
      溫度測量應用中有多種類型的測溫元件，熱電偶是常用的一種，廣泛用于石油、冶金等領域的工業控制。與RTD、電熱調節器、溫度檢測集成電路(IC)相比，熱電偶優點是:
①測量精度高。
②測量范圍廣。
③構造簡單，使用方便。

      在高線廠熱電偶用來測量加熱爐各個階段的不同溫度，對加熱爐燃控系統有著至關重要的作用，同時也是控制節能降耗的一個重要依據。
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。兩種不同類型的金屬接焊接在-起后形成兩個結點，如圖la所示，環路電壓是兩個結點溫差的函數。這種現象稱為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是由兩個結的溫度差產生的，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，稱為Seebeck系數。
      圖lb所示是一種常見的熱電偶應用。該配置中引入了第三種金屬(中間金屬)和兩個額外的節點。本例中，每個開路端與銅線電氣連接，這些連線為系統增加了兩個額外節點，只要這兩個節點溫度相同，中間金屬(銅)不會影響輸出電壓。這種配置允許熱電偶在沒有獨立參考結點的條件下使用。然而，由于熱電偶測量的是溫度差，為了確定熱端的實際溫度，冷端溫度必須是已知的。
冷端溫度為0℃(冰點)時是一種簡單的情況，如果TC=0℃,則VOUT=VH。利用冰點作為參考點，通過查找相關類型熱電偶電壓特征數據與溫度對應關系表格中的VH,就可以確定熱端溫度。
2、冷端補償
      在熱電偶應用初期,冰點被當作熱電偶的標準參考點，但在大多數應用中獲得-一個冰點參考溫度不太現實。如果冷端溫度不是0℃,那么，為了確定實際熱端溫度必須已知冷端溫度。考慮到非零冷端溫度的電壓，必需對熱電偶輸出電壓進行補償，既所謂的冷端補償。
      如上所述，為了實現冷端補償，必須確定冷端溫度，這可以通過任何類型的溫度檢測器件實現。在通用的溫度傳感器IC、電熱調節器和RTD中，不同類型的器件具有不同的優、缺點，需根據具體應用進行選擇。
      對于精度要求非常高的器件,經過校準的鉑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，熱敏電阻和硅溫度傳感器IC能夠提供較高的性價比，熱敏電阻比硅IC具有更寬的測溫范圍，而傳感器IC具有更高的線性度,因而性能指標更好--些。修正熱敏電阻的非線性會占用較多的微控制器資源。溫度傳感器IC具有出色的線性度，但測溫范圍很窄。
總之，必需根據系統的實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、成本和線性指標，以便得到性價比。
3、熱電偶電壓轉換成溫度的數學計算方法
      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，用軟件實現查找表需要存儲器，查找表對于連續的重復查詢提供了一種快速、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)利用多項式系數進行線性逼近;
      軟件線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。缺點是需要較長時間解多階多項式，多項式階數越高，處理時間越長，特別是在溫度范圍較寬的情況下。多項式階數較高時，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行模擬線性化處理。
      出現軟件測試方案之前，模擬線性化常被用來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用表中仍采用這種方法.
4、熱電偶的種類、結構、補償導線及變質判斷
      常用熱電偶可分為標準熱電偶和非標準熱電偶兩大類。標準熱電偶是指國家標準規定了其熱電勢與溫度的關系、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，一般也沒有統--的分度表,主要用于某些特殊場合的測量。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，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組成熱電偶的兩個熱電極的焊接必須牢固;
②兩個熱電極彼此之間應很好地絕緣，以防短路;
③補償導線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充分隔離。
      由于熱電偶是由貴金屬制成的，它的長度有限，在實際測溫時，常將冷端放置到一-個溫度比較恒定的場所。通常采用-種廉價金屬導線，來代替熱電偶，將電極加長，使冷端延伸，這種導線稱為補償導線。不同分度號的熱電偶產生的熱電勢不同，只有當補償導線的特性與熱電偶--致，才能起到補償作用。在使用熱電偶補償導線時必須注意型號相配，極性不能接錯，補償導線與熱電偶連接端的溫度不能超過100℃.
      熱電偶為S型和K型熱電偶，所以所選補償導線為SC和KC型銅-銅鎳補償導線。
      熱電偶經一-段時間使用，由于熱電極變質，熱電勢可能發生變化、判斷熱電偶變質的方法是: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，則說明有輕度變質;呈現乳白色而沒有光澤，則為中度變質;呈現黃色或硬化，則為較嚴重變質;呈黃色、變脆、有麻面時，則變質嚴重。由于鉑銠和鉑是貴重金屬材料，對變質的電極可以用清洗和退火處理來回收使用。又例如鎳鉻--鎳鋁熱電偶的熱電極，變質時，由于程度不同，分別呈現白色、黃色、綠色等。對于變質的鎳鉻一鎳鋁熱電偶，一般是剪去變質部分，重新焊接使用。
5、熱電偶在高線廠加熱爐的使用
5.1西門子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”為四線制電流;“D”為二線制電流。
5.2有內部補償的熱電偶進行接線和連接
      我廠設計選用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。在這種情況下，將補償線路直接連接到模擬量模塊.上。內部溫度傳感器會測量模塊的溫度并返回補償電壓。注意，內部補償沒有外部補償正確。
      將熱電偶直接連接到模塊的輸入端，或者通過補償線路間接連接到模塊輸入上。每個通道組都可以使用模擬量模塊支持的各個類型的熱電偶，而與其它通道組無關。對帶內部補償的熱電偶進行接線，并連接到電氣隔離模擬量輸入。
5.3不同參比接點溫度補償方法的連接方式

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

使用各個熱電偶的饋線中彼此互連的補償盒測量并補償參比接點溫度(熱電偶外部比較)。，無需對模塊的信號做進一步處理。

      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，在硬件組態時熱電偶模板SM3318XTC需要設置每個通道的參考端補償方式，其選項有以下四種:
1)TC-IL:線性、內部比較(內部冷端補償，即內部傳感器測溫)
2)TC-EL:線性、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，線性，0℃參考溫度)
4)TC-L50℃:(熱電偶，線性，50℃參考溫度)我廠所用熱電偶為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，更新時間為190ms。噪聲抑制會影響所有的干擾頻率(50Hz、60Hz和400Hz)，可以使用8個通道。
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影響更新時間(由所有通道組的最小設置干擾頻率確定)，更新時間為166ms。
c)4通道硬件濾波器:是最快的工作模式，更新時間為10ms。噪聲抑制會影響所有的干擾頻率(50Hz、60Hz和400Hz)，但是只能使用4個通道(每個組-一個通道)。
通過設置可以在短更新時間和高干擾頻率抑制之間取得平衡。濾波度越高，數字過濾器的時間常數越大，抗干擾能力越強，但相應信號的微小變化也可能被過濾，因此應根據實際情況進行設置。
6、結束語
      熱電偶在溫度測量中也存在一些缺陷，例如，線性特性較差。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行處理。如果排除上述問題，熱電偶易使用、寬溫度范圍使其得到廣泛使用。