浅谈寻热式热电偶应用

2020/6/26 16:07:41 人评论 次浏览 分类:温度测量  文章地址:/tech/3173.html

常用的热电阻、热电偶、双金属等温度传感器只能对一个“点”进行测温,在大型煤化工、石化、冶金、电力、军事等领域的某些重要装备中,需要对某一条线或一个面进行温度监控和报警,使用常规的温度传感器难以达到目的。然而,采用寻热式热电偶进行测温就能很容易地解决这些难题。

寻热式热电偶又称连续热电偶,是一种线式的温度传感器。上世纪80年代,美国就开发了一种线式温敏超温报警传感器。它运用铠装工艺将多元系热敏半导体材料和热电材料完美地结合在一起,实现传感器无固定热接点功能。该传感器具有其它传感器无法比拟的优点,是国内外温度
测控领域重点发展的新型温度传感器。999102com英皇手机版寻热式热电偶性能指标达到甚至优于国外同类产品。

目前,寻热式热电偶主要用于对企业的一些大型装备进行表面温度监测及超温报警。安全无小事,但是一旦发生事故,轻则造成设备的破坏,重则可能造成大量的人员伤亡,其后果往往不勘设想,兰州石化练油厂的爆炸事故就是血的教训。表面温度监测及智能超温报警系统的使用就会在事故出现的第一时间发出预警和报警信号,让人们赢得充分时间来处理,以防止灾难性事故发生,确保人员及装备安全。


一、寻热式热电偶

1、寻热式热电偶结构
寻热式热电偶金属保护管、热电极和热敏材料,经铠装拉拔减径工艺组装制作而成,其结构示意图如图1所示。最外层的铠装金属保护管采用耐热耐蚀合金,除了起到很好的保护作用外,还为电缆提供了足够的机械强度和柔韧性,极大地方便了安装和使用。热电极采用K型热电偶材料。热电极之间紧密填充的隔离材料是用专门工艺制成的具有负电阻温度系数(NTC)特性的热敏材料,随着温度的升高,电阻急剧降低。此处的隔离材料并非始终起着绝缘作用,而是始终起到固定和隔开热电极的作用。
寻热式热电偶结构
图1 寻热式热电偶结构

2、寻热式热电偶工作原理

当寻热式热电偶沿线某点(也可以是同温度的多点或一段)的温度T1超过沿线其余部分的温度时,该点两热电极之间的热敏材料的电阻就会降低,从而在T1点形成一个“临时”测量端。此时两热电极之间产生一个和温度T1相对应的热电势。

图2 寻热式热电偶测量设备温度

如果热敏电缆上有第二点出现更高的温度T2(T2>T1),则T2点热电极间热敏材料的电阻就会降得比T1点更低,从而在T2点产生了一个新的“临时”测量端(图3),旧的“临时”测量端被取代,同时热电极之间就输出一个和温度T2相对应的热电势。总之,寻热式热电偶输出热电势总是和其沿线上存在的最高温度相对应。


图3 寻热式热电偶测量最高温度

二、寻热式热电偶的特性

传统的线式温度传感器由于其性能较差,使得在某些领域的应用具有一定的局限性。如铠装式电阻型线式温度传感器误差较大、铠装式熔盐型线式温度传感器只能在固定温度性能才发生突变、组装式电阻型线式温度传感器抗振性能较差。而寻热式热电偶的应用要求特殊,其的制作材料也特殊,并采用了铠装工艺,从而获得了优良的特性。

①寻热式热电偶热电动势-温度特性(E-t特性)

寻热式热电偶与同型号(热电极材料相同,即K型)常规的热电偶不同,其热端处的两个热电极没有焊接在一起的,热端之外的热电极间也并非完全绝缘。所以,在测量同一温度时,寻热式热电偶的输出信号相对后者总要弱一些。图4为热敏电缆和常规K型热电偶的E-t特性图,可以看出,两条线基本呈直线,且基本平行,其中,热敏电缆的曲线略微偏下。因此,在最终的数据计算与转换过程中,只需将曲线作平移处理即可。
 寻热式热电偶热电动势-温度特性(E-t特性)
图4 寻热式热电偶热电动势-温度特性(E-t特性)

②测温功能良好

寻热式热电偶的两个电极输出的热电势总是和沿线上存在的最高温度相对应,是一种能够检测其沿线上存在的最高温度的线型温度传感器。

③测温面积大

一般的测温元件,如铂电阻、热电偶、热电阻等仅能测一个小区域(如一个点)的温度,即“点”式测温。但是在很多场合,需要对一条线或一个面等大范围的温场进行测温,显然用它们进行测温是难以实现的。而寻热式热电偶为长度为3-40m的温敏传感器,使用该元件是很容易满足要求的。寻热式热电偶两个电极之间的电势信号反映其沿线的最高温度。如果把寻热式热电偶合理地布置在一区域内(如一个面上),那么由寻热式热电偶的输出热电势反映出来的温度可以认为是该区域(如覆盖面)内存在的最高温度。因此,使用寻热式热电偶进行测温,大大增加了测温面积。

④高可靠性

寻热式热电偶两端补偿导线的引出形式采用冗余结构设计,即两端引出式(图5),这种设计允许寻热式热电偶感温段中间断开1次仍可正常工作。补偿导线与感温段的连接采用防水连接件,这种结构属本安设计,防护等级高,可长期浸泡在水中使用,特别适合于环境复杂且恶劣的化工企业。
寻热式热电偶冗余结构
图5 寻热式热电偶冗余结构

⑤坚固耐用,寿命长

寻热式热电偶采用铠装结构,既有较好的韧性,又有足够的强度。测温元件的外保护管采用Inconel 600合金加工而成,该合金具有耐热耐蚀的良好性能,其长期使用温度是800-950℃,极限温度为1100℃。寻热式热电偶的连接件是专门针对化工行业而设计制造的,具有防水耐腐蚀的特点。从而,这些专业的设计保证了寻热式热电偶的良好质量,安装时可弯曲,弯曲半径为50mm,而且几乎不需要日常维护保养,理论上寻热式热电偶平均寿命大于20年。

⑥设计简单,使用方便

寻热式热电偶不需要外加的电源,以电缆两极自身产生的电势来驱动其它器件。美国进口寻热式热电偶必须经过激活处理才能使用,而999102com英皇手机版设计开发的热敏电缆安装后直接正常使用,无需激活。所谓激活,就是通过加热将寻热式热电偶内部的潮气烘出,需加热1周左右。

三、寻热式热电偶的应用

寻热式热电偶主要在表面温度监测与过温报警和火灾探测两个功能领域得到应用。目前,在表面温度监测与过温报警系统中的应用最为广泛,主要应用于一些具有大表面、长线度的大型甚至超大型设备表面温度监测与过温预警和报警,往往这些设备都是某些行业的大型关键设备,其设备的安全运行已成企业的生命。另外,它还能应用于某些特殊环境或空间的火灾探测与报警。

1、煤化工和石油化工行业中的应用

气化炉是最重要的大型设备之一,正常工作时炉内温度高达1300-1600℃,压力3-9MPa。炉内所衬耐火砖在高温时会熔蚀,受热气体和熔渣的冲刷,耐火砖不断变薄,许用应力迅速下降,造成设备不安全,甚至会造成炉毁人亡的惨剧。因此,为了保证气化炉的正常运行和现场人员的人身安全,需要安装表面温度监测与过温预警和报警系统(图6),从而对气化炉壳表面温度进行实时监测。
由寻热式热电偶构成的表面测温系统
图6 由寻热式热电偶构成的表面测温系统

寻热式热电偶应用在气化炉上时,它是按照一定的布线原则缠绕在气炉炉壳外表面上的。布线密度合理,并能够保证每一块耐火砖上都有一支测温电缆经过。寻热式热电偶所产生的信号通过补偿导线传输到信号采集与处理模块,经过处理后,将数据传达给位于安全区的DCS系统,从而达到表面温度监测与报警目的,并为企业的安全生产提供参考。


2、电力行业中的应用

空气预热器是发电企业的关键设备,其安全与否直接关系到整个企业的安全生产。预热器内着火时有发生,尤其是在机组启动、热备用期间,着火可能性更大。当烟气温度和空气温度异常上升时,往往是预热器发生火灾的前兆。但当出现火灾时,为时已晚。为将火灾减小到最小程度,有必要采用预热器温度监测系统。

寻热式热电偶温度监测系统能监测预热器内部的温度场分布,当预热器内部温度过高或偏离允许值,在火灾发生的早期,就能及时报警并产生消防动作。同时,当预热器内部温度低于正常运行温度时,也给出相应信号, 供运行人员及时调整预热器运行状况。从而确保了整个系统安全、经济、可靠地运行。


3、冶金行业中的应用

结晶器是连铸生产中最关键的设备,其性能及运作的可靠性直接影响连铸生产率及铸坯质量,甚至损坏铸机。随着连铸的高速化发展,结晶器的使用寿命成为连铸生产的一项重要开支。

在坯钢连铸生产中,结晶器的粘结性漏钢是发生次数最多且危害性最大的一种,因此一些钢铁工业先进的国家都在致力于研究结晶器漏钢预报技术。目前最为成熟的预报技术是在结晶器铜板内埋入上百支热电偶,通过对铜板温度的综合运算和逻辑判断,测定是否发生漏钢或粘着,并向操作者发出漏钢预报信号。


寻热式热电偶作为一种线式温度传感器,仅需要在钢板里埋几支,同时可以在结晶器外表面分布几支,再通过模块采集,信号处理,显示与报警,从而形成在线漏钢预报系统。


4、物资储运方面中的应用

长期堆积在煤仓内的煤炭, 时常发生自燃, 一方面给企业造成直接经济损失,另一方面自燃产生的有害气体对周围环境造成污染。为了预测煤堆自燃可能性,就需要安装煤仓过热监测和安全保护系统。它是在煤堆中按照一定的需求或原则布设寻热式热电偶,通过准确及时的监控煤堆温度分布与变化,从而达到预防预报煤堆自燃的目的。

处于自热期的煤的氧化速度加快,稳定的氧化物分解成水、二氧化碳和一氧化碳。当超过临界温度Tc时,煤温上升急剧加速,氧化进程加快。在这个过程中,煤仓实时温度监测系统就开始报警,从而在自燃前就可以采取相应措施,避免事故发生。


5、火灾探测功能领域中应用

在一些容易发生火灾的区域,低温型火灾探测器是一种很好的感温元件。如在列车电力机车中,机车能否正常运转,取决于电器控制系统的稳定性,而机车电流接触器又是这一系统的重要电器部件。但是接触器频繁开合,使其安全可靠性会有所降低,从而引起火灾,造成机车不能运转甚至重大损失。为了能够及时发现火灾,使得人们在最短时间内采取有效措施,在机车上安装低温型火灾检测系统正好能够解决这个问题。将低温型火灾探测器铺设在接触器上方的位置,感温线缆实时检测环境温度,只要该区域发生火灾,系统通过低温型火灾探测器传出的信号做出判断并发出报警信号。
低温型火灾探测器

四、发展趋势与前景

国产寻热式热电偶已经达到甚至超过国外的技术水平,只是在表面温度监测及过温报警系统中所采用的温度变送器还在使用进口产品,因此,需要研制出适合该种寻热式热电偶的国产温度变送器,并具有很好的稳定性。

目前,表面温度监测及过温报警系统已经在我国大型煤化工行业气化炉上得到了广泛的应用,为企业的人员和财产安全提供了保障。寻热式热电偶在我国大型电站、光伏产业、军工装备、物资储运等多个领域重大装备上也有非常乐观的应用前景。除此之外,还可以广泛应用于核反应堆、石油化工、飞机发动机、电力、冶金、通讯、粮食食品、造纸、印刷、蒸汽热水泵等行业,其应用领域还在不断地开发,因而市场前景极大。


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