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作者: 发布时间:2016-12-11 来源:中国工控网 繁体版
温度检测的重要性  化工生产是一个非常复杂的物料平衡变化过程,生产进行的程度通常无法直观的观察,只能通过一些能反映过程变化的参数来间接的认知,进而进行相应的操作,以保证生产的平稳运行。虽然表征生产进行程度的参
温度检测的重要性

  化工生产是一个非常复杂的物料平衡变化过程,生产进行的程度通常无法直观的观察,只能通过一些能反映过程变化的参数来间接的认知,进而进行相应的操作,以保证生产的平稳运行。虽然表征生产进行程度的参数很多,但对于一个复杂生产的整个过程,一些特定表征参数很难全面的反映出生产的进行程度。物料平衡变化的同时也发生能量的产生和转移,无论是物理反应还是复杂的化学变化,都可通过能量的检测来判断生产的进程。温度是表征能量大小的物理参数,因此对于化工生产我们只需检测一些关键点的温度就可判断出生产进行的程度,从而能够控制生产提高产能减少能耗保证安全,所以温度检测是化工生产中一个非常重要的参数。

温度检测的手段

  化工生产的温度检测分为就地指示和远传显示控制两大类,就地指示比较简单通常使用双金属温度计精度较差通常不作为生产控制调节的依据。远传温度仪表把现场测量点的温度远传到控制室显示和控制是生产的重要参数,作为生产控制的重要手段要求准确可靠。

  相比化工生产中繁杂的各类检测仪表,温度检测是传统四大检测参数中类型最少结构最简单的仪表。现场使用的远传温度检测仪表通常只有三大类:

  高温辐射式温度计,用于生产温度长期处于1000度以上的生产场合,这类仪表在大多数生产中应用较少。

  热电阻温度仪表,通常用于低于200度以下生产的低温场合。应用最多的是各种机泵设备本身的温度检测,用来检测设备运行的温度防止超温损坏设备。

  热电偶温度检测仪表,因为测温范围广可以从-200——1200度范围内使用是化工生产中应用最广泛的温度检测仪表。热电偶根据使用的温度范围又分为很多型号,其中应用最为广泛的是K型热电偶。虽然不同型号的热电偶的材质不同,但它们的测温原理相同。

热电偶测温原理

  热电偶是一个非常简单检测仪表,只要把两根不同材质的导体一端焊接在一起,就可以制成一个热电偶温度计。如此简单构造仪表的测温原理是金属导体的热电效应,这种热电效应有两部分构成:接触电势和温差电势。

热电偶热端实物如图所示:



接触电势

  接触电势是热电偶能够测温的主要原因。如同电子器件中的二极管PN结一样,热电偶的热端是由两种不同材质的导体焊接在一起,由于导体密度的不同会产生一个电子密度差,在这个密度差的作用下两导体接触面由于电子的扩散速率不同就会产生一个变化的电场,当接触面温度不变时电子扩散会达到一个动态平衡,产生一个恒定的静电场——接触电势。

同温不同材质下的接触电势

  当温度恒定时,接触电势大小只与热电偶两个导体的材质有关。如同二极管的硅管与锗管的导通电压大小不同一样,不同材质组成的热电偶在同一温度下的接触电势是不一样的。从而不同型号的热电偶在同一温度下的电势不同,因此热电偶分为很多型号和不同的使用范围。

同材质不同温度下的接触电势

  同一型号的热电偶不同温度下的接触电势不同,这是因为当热电偶接触端(两导体焊接在一起)的电子扩散在温度变化时平衡会被打破,进行新的电子扩散达到新的平衡点,此时两导体产生的静电场——接触电势与先前的电势不在相同。如同二极管在不同温度下的静态参数不同一样,此时热电偶会产生一个变化的电势。

  对于一个已经制造好的成品热电偶,其接触电势的大小与热电偶接触端的温度成对应关系,温度高,电势大,因此把这种接触电势叫做热电势。

温差热电势

  温差电势是热电偶能够表征温度的主要原因。温度是用来表征能量大小的一个人为规定的物理量,虽然有绝对意义上的零点,但与我们的生活相差太大,如同气压一样我们平常所说的温度零度是摄氏零度,是一个人为设定的零点。测温仪表的信号需要一个基准对照温度才能把温度复现出来,这个基准就是我们日常生活中所用到的摄氏零度。

温差热电势产生原因如图:



  热电偶使用中产生的热端接触电势,需要远传到控制室内进行温度复现,温度的复现需要基准摄氏零度作为依据,但控制室内很难也无法做到恒定的零摄氏度的温度基准,为保证热电势在传输中不发生温度梯度变化失真,需要一个能够把现场热电势延伸到控制室内的措施——温差电势延伸。

温差电势

  一个导体如果两端温度不同,那么其导体两端的电子能量就不同,温度高的电子能量高就会向温度低的方向扩散,从而在高温处产生正电势,在低温处产生负电势,当电子扩散达到动态平衡后就形成一个静电场——温差电势。热电偶就是通过这个原理实现了把热端温度产生的热电势延伸到控制室的目的,避免了传递过程中温度梯度变化而产生的测量失真。

  热电偶的接触电势和温差电势叠加就是整个热电偶的测温原理,把难检测的温度物理量变成能够方便检测处理的毫伏电压信号,从而实现了被测点温度远传的目的。

热电偶测温如图所示:



热电偶测温组成

  热电偶本身构造虽然简单,但要想准确测温需要构建一个良好的测温系统,其主要由以下三部分构成:热电极、护套管、补偿导线

热电极

  热电极通常叫做热电偶,是热电偶能够测温的核心部件。出于制造成本的考虑热电极的长度通常有限大多数在1米左右,而现场测温点距离控制室大多在几百米以外,因此热电偶需要一个接线端子,通过其它形式把信号传到控制室。

  热电极根据不同材质可分为不同的型号,工业现场应用通常使用K型和E型热电偶。K型热电偶为镍铬—镍硅热电偶,测温范围广,在-200——1000度内可长期使用,能够适应工业生产的大多数状况得到大量应用。E型热电偶为镍铬—镍铜热电偶,使用范围比K型小为-50—600度,但由于同一温度下产生的热电势比K型的大,低温时的误差相对较小,在400度左右的生产中应用也非常多。

  热电极构造通常分为装配式和铠装式两大类。

  装配式热电偶是一种普通的热电偶,热电极的两端使用耐高温的绝缘陶瓷柱作为绝缘套,防止热电偶两端短路,热电极的末端接到绝缘接线端子柱上。这种构造方便现场安装,当热电极与护套管长度不同时,可根据护套管的长度进行自由切割,对于现场安装方便快捷。使用中陶瓷绝缘套易损坏,会造成绝缘不好,甚至引起热电偶两导体短路,所以拆卸安装时要小心,尽可能的保证陶瓷套管的完整。

热电极装配式与铠装式实物如图所示:



  铠装式热电偶,热电极插入到一细长的金属护套管,里面填充耐高温的绝缘氧化铝、氧化镁等制成,末端引线接入接线端子板上。由于铠装热电偶有金属外壳保护其机械强度高,可弯曲安装,绝缘不易损坏,因此得到大量的使用。但铠装式热电偶的引出线比较脆弱,一旦断裂很难处理修复,因此取拿铠装热电偶时要小心,防止引出线断裂损坏。

装配式与铠装式比较如图所示:



护套管

  温度是物质能量表征的物理量。由于能量的转移扩散性,不同测点的能量不同导致温度也不同,为准确可靠的测量物质的温度提高检测的准确性,工程上普遍把测温点尽可能的选在物料的中间位置。热电偶在使用中需要深入被测设备管线内部,为保证生产的安全需对热电偶安装防护套管。

  防护套管的安装通常有两种连接方式:螺纹安装和法兰安装。

  螺纹安装通常应用在管线测温中,这样的优点是管线施工方便,在小管线中可倾斜迎流方向安装以提高测温准确性,缺点是安全性较差,由于通过螺纹和垫片实现密封,不能用于高压环境中。

螺纹连接与法兰连接方式比较如图:



  法兰安装是通过两法兰间的连接来实现密封,通常用于塔器设备和高压管线的安装中,但由于法兰的存在其紧固螺栓易锈蚀不利于拆卸安装,且只能垂直于塔器设备管线方向安装,无法实现迎流方向安装不利于热交换,测温不如螺纹连接准确。

补偿导线

  补偿导线是热电偶测温仪表特有的传输电缆。不同于普通的传输铜电缆只要保证传输的信号不失真即可,补偿导线的使用是为了延续热电偶的温差电势而使用的一种补偿线缆。由于热电极的材质和制造成本高昂,使用成品的几百米的热电偶从现场延伸到控制室是不现实的,因此需要一种既能够与现场热电极性能一样的温差电势的传输线又能降低成本的线缆——补偿导线。补偿导线的使用不仅仅是热电极接触电势的传递也是热电极温差电势的延续,所以其目的不同于传统的铜线缆。为保证补偿导线的温差电势与现场热电极的温差电势一致,传输中要使用与热电极同型号的补偿导线,不能混用或错用。

补偿导线使用中的注意事项

一、补偿导线不同于铜导线的原因不仅仅是材质不同,补偿导线的目的除了传递热电偶的热电势外还要补偿传输中的温差电势。补偿导线本身分为正负两极,在现场与热电偶接线、控制室与二次表或控制系统接线时一定到对应正确,而不能如同铜线缆一样随便接入。

二、补偿导线传输中尽可能的不要有接头,不可避免时要尽可能的做好接头处的连接牢固。因为补偿导线实质上是一个廉价的热电偶,如果补偿导线中间有接头就会产生接触电势,如果接触点的接触电阻较大,这个接触电势就会变大,使补偿导线引入附加的接触电势。如果接触点接触不良,那么这个接触电势会出现大幅度的跳变,造成测温失真。同理补偿导线与热电偶接线端子处的接线也要确保连接良好,防止接触电势的引入。

现场补偿导线与热电偶接线端子实物如图所示:



热电偶使用中常见故障及处理

  热电偶是一个测温系统,信号传输过程由热电极、接线端、补偿导线、二次处理四部分构成,任何一部分出问题都会造成温度测量不准。实际使用中出现故障的现象大体可以分为以下几种:显示数值偏大、数值偏小、数值跳变、数值满程。

热电极本身原因造成的故障

  热电极是一个金属导体,在使用中长期受高温的熏烤及周围环境气体(腐蚀、水汽)的影响本身会老化变质,导致热电极的热电势与温度对应关系发生变化,造成温度—毫伏电压对照表的偏离,从而产生测温误差。

  热电极插入深度不够。这个故障通常发生在新建装置或装置大修开车过程,热电偶安装中护套管的长度不够,致使进入管线设备的距离没有达到介质的中心,导致热电偶的测温热端没有达到温度最高点,从而造成所测温度偏低。如果热电偶的插入深度距离管线设备外壁太近,那么其测温的误差更大,甚至完全失去测温意义。

现场安装的热电极及护套管不够长如图所示:



  如果保护套管够长而热电极不够长则能处理,可找一个足够长的热电极插入。若护套管本身不够长则无法处理,只能等装置停车后才能进行更换,因此护套管安装长度非常重要,决定着热电偶测温能否准确,但很多时候热电偶的问题恰恰出在这个现场护套管的安装上。

接线端

  由热电偶的测温原理我们可知,热电势的构成包括接触电势和温差电势两部分。如果热电偶现场接线端与补偿导线,补偿导线与控制室二次处理表的接线接触不良,那么在热电偶信号传输过程中就会产生附加的接触电势,引起测温误差,如果接线接触不良,还会出现测温大幅度跳变的现象。

  随着时间的延长,现场热电偶接线端子与补偿导线处会因老化等原因造成接触电势变大,出现被测温度出现失真甚至跳变的现象,此时到现场重新接一下补偿导线故障就会排除,这也是很多现场仪表工疑惑不解的原因,为什么重新接一下线故障就消除了。

  如果补偿导线中间有接头,那么这种接触电势对测温的影响也会出现,因此补偿导线使用中最好不要有接头,实在无法避免,除做好接头的接线处理外还要把接头处的位置做好明显标记,一旦出现测温故障可快速找到补偿导线接头位置进行查看处理,不然补偿导线引起的故障很难查找排除。

补偿导线

  补偿导线是一个开口的与现场热电偶同型号的廉价热电偶,其性能基本与标准的热电偶一致。现场使用的补偿导线型号一定要与安装的热电偶相一致,这个从补偿导线线缆外皮上就可找到具体的型号,通过补偿导线内部的护套绝缘皮的颜色也可分辨。如果补偿导线使用型号不正确,就会引入测温误差,如现场K型热电偶接如E型补偿导线,那么控制室显示的温度会偏高,同理现场E型热电偶接入K型补偿导线,其显示温度会偏低。

  补偿导线是廉价热电偶因此其本身有正负之分,现场与热电偶接线、与控制室二次表接线时一定要对应正确。如果补偿导线一端与热电偶或二次表极性接反,其传输到二次表的热电势是负值,处理后显示温度是负值或最低(组态中的最小值)。如果补偿导线现场与控制两端极性同时接反,那么其相当于在现场热电偶毫伏信号的线路中串入一个负的温差电势,那么其进入二次表的毫伏电势变小,显示的温度就会偏小。

二次处理

  二次处理仪表是把引入的毫伏电压信号与温度进行对照,并进行热电偶的冷端温度补偿。如果二次表组态中所选热电偶型号与现场不一致,那么其换算测得的温度就会出现偏差。如果二次表本身的测温热敏电阻所测环境温度不准确,那么换算出的现场温度也会出现偏差。此外如果二次表是一个输出电流的温度变送器,那么其输出的电流信号的温度范围要与控制室内显示组态相一致。

热电偶大修时的检修

  热电偶的大修通常分为热电极本身精度的校准和护套管磨损检查。热电极的校准检查很重要但不是必须在大修时才能进行的工作,因为装置正常运行时若热电极本身出现故障可从现场拆卸下来进行故障排除和校准检验。

  热电偶护套管的检查是大修时的重点工作,但实际使用中很多企业却忽略了。热电偶护套管在日常使用中插入到设备和管线中,长期经受介质的冲刷、腐蚀,其外壁会逐渐被磨损使壁厚变薄,甚至出现穿孔、断裂等极端状况。一旦热电偶的护套管在运行中出现事故轻则引起设备停车,严重时会引发火灾事故,所以热电偶护套管腐蚀程度的检查是大修的重点工作。

  护套管的检查通常有两种方法,人工肉眼检查法和打压试密法。打压试密法通常用于高压装置如高压加氢装置中,其热电偶护套管的密封性能通过肉眼无法准确判断,需要拆卸下来使用专业的密封测试设备进行打压测试。

设备大修时拆卸热电偶护套管进行腐蚀磨损性检查如下图:



  如果生产设备不在高压环境下运行,热电偶护套管的磨损检测通常用肉眼观察法来确认,这样的方法快速方便,但容易造成浪费。现场拆卸热电偶护套管后用抹布把护套管外表的脏污除掉后,观察护套管外壁有无明显的磨损、腐蚀、麻孔等磨损腐蚀痕迹,如果不明显则更换密封垫片后复原,如果察觉护套管腐蚀严重则要更换新的护套管。通常为了保证安全,现场检查热电偶护套管时只要有明显的腐蚀痕迹就更换新的护套管,以确保装置运行的安全性,但同时也造成了一定的热电偶护套管的浪费。

总结

  热电偶温度计是工业中应用最为广泛的温度检测仪表,虽形式各样但测量原理相同。作为工控人员一定要熟知热电偶的测温原理,才能面对故障问题时处理自如。









热电偶的应用及大修检查
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