非金属热电偶在高温探测中的应用

摘要:介绍了高温测量中传统温度传感器的缺陷,提出了一种新型的非金属温度传感器一石墨纤维热电偶,并对该传感器的特性、加工方式、应用环境进行了分析。设计了温度传感器的放大、滤波、模数转换、数字化处理的硬件电路,并采用分段曲线拟合方法对传感器的非线性进行了校正,从而使传感器在较大的测量区间内具有良好的可靠性。从理论上分析,该传感器测量温度高达3000℃以上,解决了高温环境下钢水温度的连续测量问题.
　　在冶金、钢铁、建筑材料、化工等众多行业中,温度是确保顺利生产和质量控制的重要参数。温度测量直接关系到产品的质量与生产成本。因此，准确地进行生产过程的温度测量,对指导生产的正常进行意义重大。在热工生产中,钢、铁在熔融状态下，温度达到1200℃以上,主要测量方法有接触式的铂铑金属热电偶温度计和非接触式的红外辐射温度计。红外辐射温度计是利用测量高温物体的热辐射获得温度值,其温度采集主要利用光学方法,通过光学准直系统采集和传送被测温区的辐射能,通过亮度、色度比较方法确定被测物体的温度,但测量精度不如接触测量。铂铑热电偶以其测温精度高、热电互换性好、材质抗氧化等优点获得了广泛应用,其中B型铂铑热电偶被选定为国际温标基准测温仪器。实践发现,采用铂铑30/6热电偶虽然可连续测量钢水温度3~4h,但测量时间受限于保护器材和装备的稳定性,且不应在还原性气氛和含有金属及非金属蒸气的气氛中使用，也不应在没有可靠保护时使用。由此可见，铂铑热电偶的不足:①材质熔点低，不耐高温;②性能娇贵不耐腐蚀,尤其在高温应用中,热电偶保护套管经常损坏,使昂贵的铂铑热电极很快被熔融金属、炉渣、酸、碱、盐液体及硅、硫、碳、氟、氯等腐蚀性较强气体腐蚀坏;③不耐老化、易断、易丢失、使用范围小;④资源短缺、成本昂贵。铂铑高纯材料是单一金属造价最高的物质,高纯铂铑丝每克重达数百元，我国用料多靠进口。根据市场需求分析,目前,钢水包内钢水、工频加热炉内铁水的温度测量仍用快速热电偶完成,每次测温消耗一只,每个炉子每年消耗10万元以上的热电偶，因此，选用一种性能可靠、损耗小的测温仪是很有必要的。
　　石墨纤维热电偶以石墨纤维为敏感元件,利用热电效应进行温度测量。它属于人工合成非金属热电偶,呈线状黑亮体、柔软可挠、质轻不娇。原材料为聚丙烯腈碳纤维,向正极中渗硼,再经3600℃高温石墨化烧成。在烧成过程中硼原子扩散到石墨晶.格中,取代碳原子质点形成替位式半导体结构,使碳纤维高度石墨化,微观结构发育完善,晶格形状稳定。该电偶只要在低于烧成温度下测温,热电性能十分稳定。与铂铑热电偶相比,石墨纤维热电偶具有以下优点:①耐高温。由于烧成温度高达3600°C,因此可以测量3000℃以上高温。②材质抗腐蚀性增强。尤其在高温应用中不怕熔融金属、熔渣、液体酸碱盐及硅、氯、硫、碳、氟等元素气体的强腐蚀作用。③原材料成本低。每克石墨纤维成本不足一元。④耐老化,不易脆断,灵敏度较高。鉴于以上分析,选用石墨纤维热电偶进行钢水温度测量是完全可行的。
1石墨纤维热电偶测温系统的组成
　　石墨纤维热电偶传感器一般做成棒型,其整体主要由热电极、绝缘管、保护管、接线盒等几部分组成,其中热电极是用石墨纤维材料制成的,属于测温的敏感元件。热电偶的输出信号经过温度送变器转变成4~20mA的直流电压信号。由于温度测量是.在条件较恶劣的环境下进行,存在着较强的电磁干扰，因此，传感器信号须经过滤波后再由前置模拟电路进行放大,并通过滤波器后得到模数转换器需要的电压信号。单片机获得温度信息后,再根据事先设定的修正模式及参数经过运算处理后,得到被测的温度数据,由单片机根据用户的操作将温度数据输出到数码管直接显示、或由微型打印机打印、或者通过D/A转换以电流形式输出给监控仪表,也可以由串行通讯接口上传给微机进行进一步的分析与控制[4]。其测量结构框图如图1所示。
 
　　在此选用AT89C52单片机系统作为信号控制单元,它是一个低电压、高性能的8bit单片机,片内含8kbyte的可反复擦写的只读程序存储器和256byte的随机存取数据存储器,该器件采用高密度、非易失性存储技术生产,片内置通用8bit中央处理器和Flash存储单元,内含6031个外中断口,6031个全双工串行通信口,可以按照常规方法进行编程,也可以在线编程。将其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本,因此适用于许多较复杂系统控制应用。
　　模数转换选用美国Intersi公司生产的一种高.精度、低噪声、低漂移、价格低的双积分式12bi-tA/D转换器ICL7109,它配有较强的接口功能，能方便地与AT89C52单片机系统相连，其转换方式.既可以连续转换,也可以由外部时间控制。D/A转换器选用分辨率为12bit的AD7521,功耗低,输出电流稳定时间短,采用两级缓冲可以有效地避免输出电压出现毛刺现象。同时对键盘显示采用了BC7281A进行管理，它可以驱动128段LED显示及64键键盘,且驱动输出极性与输出时序均为软件可控,从而可以和各种外部电路配合。考虑到单片机系统与PC机之间的距离较远,不便采用并行数据通讯,采用了RS-232C串行通讯接口,通讯距离可长达15m,传输速率最大为20kB/s。
　　采用石墨纤维热电偶温度传感器,既可以对温度进行间断测量,也可对钢水的温度进行连续测量，并实时显示测量结果。这样便为实现炼钢生产闭环控制提供了有力的保证,对提高生产率和产品质量有直接意义,因此有可能成为取代现行的一次性偶头间断测温的定向化产品。该系统不仅具备连续测温的特点,同时融合了接触式测温准确可靠和非接触式测温成本低的优点。该系统投入使用,将创造巨大的社会效益和经济效益。
2热电偶热电势一温度关系线性化
　　利用石墨纤维热电偶温度传感系统,对钢水的温度进行了测量,获得了最高温度为1300℃的相关数据。图2、图3、图4分别给出了不同热电偶的输出电压随温度变化的关系,从中可以看出,在温度较低的区域内,曲线的线性较好,当温度较高时，曲线出现明显的非线性。以P,N、PrNz、PzN3型传感器为例,在100C~700℃温度区间非线性误差很小,通常为1.9%;而在700℃~1300℃温度区间内非线性误差十分明显,高达12%。如此严重的非线性误差是无法达到测量要求的，必须对温度传感器进行线性化校正。
　　非线性误差的校正方法很多,有硬件补偿法和软件补偿法。硬件补偿可以采用不同增益的运算放大器或可变电压源电桥;软件补偿法包括函数运算法、拟合法等,一般由函数运算实现。相比较而言，软件补偿法更具有通用性,为了确保温度测量在整个的测量范围内都有较高的精度,在传感器的数据采集与处理系统中采用函数拟合的方法来推算出传感器的输人、输出关系,然后再通过对实测值进行选定函数的数值计算,求得准确的测量结果。
 
　　将热电偶的热电势公式用幂级数展开:
E(T)=β0+β1T+β2T²+...+βnTⁿ(1)
　　用计算机模拟计算可求得β0~βn。但在实际测量时,都是由测得的热电势E(T)求得温度T，况且从图2、图3、图4的特性曲线上看出,在不同的温度区间内,非线性程度不同,为此采用最小二乘法进行折线分段拟合,根据石墨纤维热电偶的输出特性,将100C~1300℃范围分成两个段,拟合公式如下:
T=λ0十λ1E+...+λmE^m(2)
　　用这种方法，可由测得的热电势值直接算出被测温度,并可方便地实现测控。以图2的热电偶为例,取m=2,在100C~700℃区间,求得拟合系数与拟合公式为:
λo=41.1107
λ1=24.2708
λ2=0.091
T1=41.1107+24.2708E+0.091E²(3)
　　同理,在700℃~1300℃区间内,求得拟合系数与拟合公式为:
λ0=1241.2479λ1=-67.2466λ2=1.8414
T2=1241.2479一67.2466E+1.8414E²(4)
　　图5、图6、图7分别为PN、P2N2、P3N3型传感器的拟合曲线,其中P1N、P2N2型传感器拟合温度误差如表1、表2所示。从表中可以看出，除个别点外,计算温度值与实际温度的误差大都在1%以内,完全达到了测量要求.
 
3系统的软件设计
　　测试系统的软件主要完成对信号的采集、处理、数据传输、信息输入与温度显示等功能,见图8。它由两部分组成:单片机部分主要完成信号的采集、系统的外部接口、控制功能;主要包括A/D采集和转换模块、D/A转换模块、显示模块以及键盘输人处理模块。PC机部分则将单片机传送来的各种数据通过一系列修正模型计算出温度,然后将结果返回给单片机。这样将原本由一个单片机处理需要花费很长时间的数学模型计算交给PC机,让二者各取所长,使得整个系统计算温度的速度大大提高,提高了测温仪的实时响应特性。为了便于温度的实时监测,将A/D转换器设置为连续转换方式，系统软件主体流程如图8所示。
 
4结论
　　由此可见，基于石墨纤维传感器的钢水温度连续测量系统,兼有接触式测温的准确性和非接触式测温成本低的优点。用简单低的非金属材料代替昂贵的铂铑热电偶的偶头间断测温方式,实现了钢水温度的连续测量。由于该测温系统测量位置固定,避免了快速偶头因制作质量和人为插人深度不同而造成的分散性误差。由于采用了分段式的数据拟合,使得测量结果的准确性和可靠性有了保障。同时由于传感器的抗干扰性强,整个测量系统运行稳定可靠,适用于现场测量,且测温仪寿命增长。该装置操作简单方便,具有很好的经济和社会效益。