热电偶在高线厂加热炉的应用

[摘要]温度测量应用中，热电偶因其测温范围广、可靠性以及较快的响应速度得到了普遍应用。本文讨论了热电偶的基本工作原理，包括参考端(冷端)的定义和功能,还给出了补偿导线类型,以及热电偶在高线厂加热炉的具体应用。
前言
      温度测量应用中有多种类型的测温元件，热电偶是常用的一种，广泛用于石油、冶金等领域的工业控制。与RTD、电热调节器、温度检测集成电路(IC)相比，热电偶优点是:
①测量精度高。
②测量范围广。
③构造简单，使用方便。

      在高线厂热电偶用来测量加热炉各个阶段的不同温度，对加热炉燃控系统有着至关重要的作用，同时也是控制节能降耗的一个重要依据。
1、热电偶工作原理
      热电偶是差分温度测量器件，它由两段不同成分(金属/合金)的导体焊接而成,一段用作正端,另一段用作负端。两种不同类型的金属接焊接在-起后形成两个结点，如图la所示，环路电压是两个结点温差的函数。这种现象称为Seebeck(塞贝克)效应，。图1a所示，测量电压VOUT是检测端(热端)结电压与参考端(冷端)结电压之差。因为VH和VC是由两个结的温度差产生的，VOUT也是温差的函数。α为定标因数，对应于电压差与温差之比，称为Seebeck系数。
      图lb所示是一种常见的热电偶应用。该配置中引入了第三种金属(中间金属)和两个额外的节点。本例中，每个开路端与铜线电气连接，这些连线为系统增加了两个额外节点，只要这两个节点温度相同，中间金属(铜)不会影响输出电压。这种配置允许热电偶在没有独立参考结点的条件下使用。然而，由于热电偶测量的是温度差，为了确定热端的实际温度，冷端温度必须是已知的。
冷端温度为0℃(冰点)时是一种简单的情况，如果TC=0℃,则VOUT=VH。利用冰点作为参考点，通过查找相关类型热电偶电压特征数据与温度对应关系表格中的VH,就可以确定热端温度。
2、冷端补偿
      在热电偶应用初期,冰点被当作热电偶的标准参考点，但在大多数应用中获得-一个冰点参考温度不太现实。如果冷端温度不是0℃,那么，为了确定实际热端温度必须已知冷端温度。考虑到非零冷端温度的电压，必需对热电偶输出电压进行补偿，既所谓的冷端补偿。
      如上所述，为了实现冷端补偿，必须确定冷端温度，这可以通过任何类型的温度检测器件实现。在通用的温度传感器IC、电热调节器和RTD中，不同类型的器件具有不同的优、缺点，需根据具体应用进行选择。
      对于精度要求非常高的器件,经过校准的铂RTD能够在很宽的温度范围内保持较精度高，但其成本很高。精度要求不是很高时，热敏电阻和硅温度传感器IC能够提供较高的性价比，热敏电阻比硅IC具有更宽的测温范围，而传感器IC具有更高的线性度,因而性能指标更好--些。修正热敏电阻的非线性会占用较多的微控制器资源。温度传感器IC具有出色的线性度，但测温范围很窄。
总之，必需根据系统的实际需求选择冷端温度测量器件，需要仔细考虑精度、温度范围、成本和线性指标，以便得到性价比。
3、热电偶电压转换成温度的数学计算方法
      一旦建立了冷端补偿方法，补偿输出电压必须转换成相应的温度。一种简单的方法既是使用NBS(美国国家标准局)提供的查找表，用软件实现查找表需要存储器，查找表对于连续的重复查询提供了一种快速、的测量方案。将热电偶电压转换成温度值的另外两种方案比查找表复杂一些，这两种方法是:
(1)利用多项式系数进行线性逼近;
      软件线性通近只是需要预先确定多项式系数，不需要存储，因而是一种更通用的方案。缺点是需要较长时间解多阶多项式，多项式阶数越高，处理时间越长，特别是在温度范围较宽的情况下。多项式阶数较高时，查找表相对提供了一种精度更高、更有效温度测量方案。
(2)对热电偶输出信号进行模拟线性化处理。
      出现软件测试方案之前，模拟线性化常被用来将测量电压转换成温度值(除了人工查找表检索外)。这种基于硬件的方法利用模拟电路修正热电偶响应的非线性。其精度取决于修正通近多项式的阶数，在目前能够测试热电偶信号的万用表中仍采用这种方法.
4、热电偶的种类、结构、补偿导线及变质判断
      常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶在使用范围或数量级上均不及标准化热电偶，一般也没有统--的分度表,主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从2025-04-22日起，热电偶和热电阻全部按IEC国际标准生产，并指定s、b、e、k、r、j、t七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。
为了保证热电偶可靠、稳定地工作，对热电偶的结构要求如下:
①组成热电偶的两个热电极的焊接必须牢固;
②两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路;
③补偿导线与热电偶自由端的连接要方便可靠;
④保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。
      由于热电偶是由贵金属制成的，它的长度有限，在实际测温时，常将冷端放置到一-个温度比较恒定的场所。通常采用-种廉价金属导线，来代替热电偶，将电极加长，使冷端延伸，这种导线称为补偿导线。不同分度号的热电偶产生的热电势不同，只有当补偿导线的特性与热电偶--致，才能起到补偿作用。在使用热电偶补偿导线时必须注意型号相配，极性不能接错，补偿导线与热电偶连接端的温度不能超过100℃.
      热电偶为S型和K型热电偶，所以所选补偿导线为SC和KC型铜-铜镍补偿导线。
      热电偶经一-段时间使用，由于热电极变质，热电势可能发生变化、判断热电偶变质的方法是:根据热电偶的色变程度就可以判断。例如:铂铑一铂热电偶的热电极呈灰白色，有少量光泽，则说明有轻度变质;呈现乳白色而没有光泽，则为中度变质;呈现黄色或硬化，则为较严重变质;呈黄色、变脆、有麻面时，则变质严重。由于铂铑和铂是贵重金属材料，对变质的电极可以用清洗和退火处理来回收使用。又例如镍铬--镍铝热电偶的热电极，变质时，由于程度不同，分别呈现白色、黄色、绿色等。对于变质的镍铬一镍铝热电偶，一般是剪去变质部分，重新焊接使用。
5、热电偶在高线厂加热炉的使用
5.1西门子PLC模拟量输入通道测量方法和量程选择
设定模块测量方法和测量范围主要用STEP7和量程卡。
量程卡可以设定为一下设置“A”、“B”、“C"和“D”。其中各字母含义为:“A”为热电阻、热电偶;“B”为电压;“C”为四线制电流;“D”为二线制电流。
5.2有内部补偿的热电偶进行接线和连接
      我厂设计选用AI模板为SM331AI8XTC(6ES7331-7PF11-0AB0)，此模板为电气隔离型热电偶测量专用模板，有内部补偿和外补偿功能可选。本单位热电偶与AI模板连接方式采用如图2所示为内部补偿连接方式。

      入模块的端子.上建立参考点。在这种情况下，将补偿线路直接连接到模拟量模块.上。内部温度传感器会测量模块的温度并返回补偿电压。注意，内部补偿没有外部补偿正确。
      将热电偶直接连接到模块的输入端，或者通过补偿线路间接连接到模块输入上。每个通道组都可以使用模拟量模块支持的各个类型的热电偶，而与其它通道组无关。对带内部补偿的热电偶进行接线，并连接到电气隔离模拟量输入。
5.3不同参比接点温度补偿方法的连接方式

每个热电偶的馈线中带补偿盒的外部补偿(接线和连接如图对带补偿盒的热电偶进行接线并连接到电气隔离模拟量输入和对带参比接点的热电偶进行接线并连接到电气隔离模拟量输入)

使用各个热电偶的馈线中彼此互连的补偿盒测量并补偿参比接点温度(热电偶外部比较)。，无需对模块的信号做进一步处理。

      仅适用于SM331AI8xTC，可以用(铂或镍)电阻温度计带有用于记录参比接点温度的测量参考温度，并计算模块电阻温度计的外部补偿中热电偶的温度。
5.4热电偶在STEP7软件中的设置与处理
STEP7软件中，在硬件组态时热电偶模板SM3318XTC需要设置每个通道的参考端补偿方式，其选项有以下四种:
1)TC-IL:线性、内部比较(内部冷端补偿，即内部传感器测温)
2)TC-EL:线性、外部比较(外部冷端补偿，即外接热电阻或温度补偿盒)
3)TC-L00℃:(热电偶，线性，0℃参考温度)
4)TC-L50℃:(热电偶，线性，50℃参考温度)我厂所用热电偶为S型和K型两种，采用TC-IL补偿方式。
SM331AI8xTC的三种工作模式:
a)8通道硬件滤波器:是最慢的工作模式，更新时间为190ms。噪声抑制会影响所有的干扰频率(50Hz、60Hz和400Hz)，可以使用0567个通道。
b)8通道软件滤波器:可根据设置的干扰频率抑制参数(50Hz或60Hz或400Hz)提供90dB的噪声抑制。被分配为参数的干扰频率会影响更新时间(由所有通道组的最小设置干扰频率确定)，更新时间为166ms。
c)4通道硬件滤波器:是最快的工作模式，更新时间为10ms。噪声抑制会影响所有的干扰频率(50Hz、60Hz和400Hz)，但是只能使用80个通道(每个组-一个通道)。
通过设置可以在短更新时间和高干扰频率抑制之间取得平衡。滤波度越高，数字过滤器的时间常数越大，抗干扰能力越强，但相应信号的微小变化也可能被过滤，因此应根据实际情况进行设置。
6、结束语
      热电偶在温度测量中也存在一些缺陷，例如，线性特性较差。虽然它们与RTD、温度传感器IC相比可以测量更宽的温度范围，但线性度却大打折扣。除此之外，RTD和温度传感器IC可以提供更高的灵敏度和精度，可理想用于正确测量系统。热电偶信号电平很低，常常需要放大或高分辨率数据转换器进行处理。如果排除上述问题，热电偶易使用、宽温度范围使其得到广泛使用。