熱電偶在生產(chǎn)應(yīng)用中的故障分析

[摘要]熱電偶也叫溫差電偶,是最早出現(xiàn)的一種熱電探測(cè)器件。熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的溫度器件,它的主要特點(diǎn)就是測(cè)溫范圍寬,性能比較穩(wěn)定,同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好,更能夠遠(yuǎn)傳4- 20mA 電信號(hào),便于自動(dòng)控制和集中控制。本文中根據(jù)熱電偶的工作原理，對(duì)應(yīng)用實(shí)例中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行分析處理。
引言
　　某氯丙稀廠(chǎng)在停車(chē)大修后,開(kāi)車(chē)時(shí),從反應(yīng)器中出來(lái)的成品到氯化冷凝器冷凝,通過(guò)視鏡,看到成品的顏色呈黑色,說(shuō)明系統(tǒng)結(jié)碳嚴(yán)重;再通過(guò)提高氯氣的進(jìn)料量,而反應(yīng)器中部溫度不變,進(jìn)一步說(shuō)明系統(tǒng)結(jié)碳嚴(yán)重;并且無(wú)法生產(chǎn)出合格的成品,只能重新清理系統(tǒng)中的結(jié)碳。
　　該氯丙稀廠(chǎng)的丙稀預(yù)熱溫度采用熱電偶測(cè)量。熱電偶為K型,其補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)正極為鎳鉻,負(fù)極為鎳硅。預(yù)熱溫度計(jì)安裝在張力換熱器的出口。張力換熱器表面溫度為98℃。預(yù)熱溫度一般控制在320℃。預(yù)熱溫度是十分重要的工藝參數(shù),它的高低直接決定著系統(tǒng)結(jié)碳程度,也是判斷系統(tǒng)能否正常工作的一個(gè)參數(shù)。下面就這一故障現(xiàn)象作出診斷及處理。
一、故障推斷
　　上述應(yīng)用實(shí)例中出現(xiàn)的問(wèn)題主要是由預(yù)熱溫度過(guò)低導(dǎo)致的,分析溫度過(guò)低的原因可能為:
①二次數(shù)顯表顯示不準(zhǔn);
②熱電偶可能已損壞;
③補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)可能存在問(wèn)題。
二、分析處理
　　對(duì)上述可能導(dǎo)致故障現(xiàn)象出現(xiàn)的原因做以下分析處理:
①檢測(cè)二次數(shù)顯表，能顯示準(zhǔn)確溫度,從而排除由于數(shù)顯表而導(dǎo)致溫度過(guò)低的推測(cè);
②用萬(wàn)用表檢測(cè)熱電偶,熱電偶工作性能良好,從而排除由于熱電偶而導(dǎo)致溫度過(guò)低的推測(cè);
③檢查補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn),由于熱電偶的接線(xiàn)盒所處環(huán)境溫度太高，導(dǎo)致補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的絕緣層被燒焦,因此在大修時(shí)更換了補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，更換后的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的正極為鎳鉻,負(fù)極為銅鎳,由此便知更換的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與原先的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的型號(hào)存在差異。則可能是更換補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)導(dǎo)致預(yù)熱溫度過(guò)低,從而出現(xiàn)了上述故障現(xiàn)象，下面進(jìn)行詳細(xì)推理分析。
(一)熱電偶的測(cè)溫原理
　　熱電偶測(cè)溫基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來(lái),構(gòu)成-一個(gè)閉合回路,當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí),兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)。熱電偶就是利用這一效應(yīng)來(lái)工作的。如圖1所示，由兩種不同均質(zhì)材料A.B組成的回路稱(chēng)為熱電偶。A.B材料兩端連接的接點(diǎn)分別用M 1.M 2表示，如果M 1M2的接點(diǎn)溫度T1和T2不一-樣, 在回路中就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì),通常稱(chēng)為熱電勢(shì)。當(dāng)A.B的材料一定時(shí),熱電勢(shì)的大小取決于T1. T2之間的溫度差,用公式表示為:
EAB(T1,T2)= eaB(T1)+ eaA(T2)= eAB(T1)- eAB(T2) (1)
　　式中: EAB(TI,T2)-材料為A.B的熱電偶,接點(diǎn)溫度TI, T2之間的溫差電勢(shì)。
eAB(T1)一A.B接點(diǎn)溫度為T(mén)1時(shí)的電勢(shì)。
eAB(T2)、asa(T2)-- A.B 接點(diǎn)溫度為T(mén)2時(shí)的電勢(shì),這兩項(xiàng)大小相等,符號(hào)相反。
 
　　為了統(tǒng)一熱電偶材料并進(jìn)行規(guī)范,國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了組成熱電偶材料A.B的成分純度,并且給出了A.B材料的組合形式，統(tǒng)一用一個(gè)字母命名型號(hào),如K型s型等。為了使用方便,將各種型號(hào)的熱電偶溫度值與電勢(shì)關(guān)系統(tǒng)一為相對(duì)于0C時(shí)的電勢(shì)值,這里用T0表示，制成各種型號(hào)的熱電偶分度表,便于查閱和計(jì)算。
　　這樣相對(duì)于圖1中的形式，公式(1)轉(zhuǎn)化為:
EAB(T1,T2)= EAB(T1,T0)- EAB(T2,T0)         (2)
(二) 熱電偶的連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律
 
　　首先來(lái)分析熱電偶的連接導(dǎo)體定律和中間溫度定律,如圖2所示。實(shí)際應(yīng)用中,測(cè)量和控制儀表與熱電偶總是有一段距離。C、D也是兩種均質(zhì)材料,根據(jù)熱電偶的中間導(dǎo)體定律,可以導(dǎo)出測(cè)量的總電勢(shì)Ez的表達(dá)式為：
Ez= EAB(T1,T3)+ Ea(T3,T2) (3)
　　式(3)就是熱電偶連接導(dǎo)體定律。如果連接的不是一段,總電勢(shì)Ez同樣為各個(gè)部分之和。在圖2的測(cè)量中,希望測(cè)量端的總電勢(shì)為熱電偶EAB (T1, T2),便于控制儀表測(cè)量中不至于中間連接產(chǎn)生附加電勢(shì),表達(dá)式為:
EAB(T1,T2)= Ez= EAB(T1,T3)+ EAB(T3,T2)   (4)
　　式(4)中T3稱(chēng)為中間溫度,所以也稱(chēng)為中間溫度定律。這樣
　　就要求找到某種材料C.D,它的特性為:
ECD(T3,T2)= EAB(T3,T2)   (5)
　　滿(mǎn)足式(5)的材料稱(chēng)為熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)。因?yàn)闊犭娕嫉姆N類(lèi)較多,所以熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)的種類(lèi)也較多。
(三)使用的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)型號(hào)不對(duì)產(chǎn)生的誤差
　　同種補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)配同種熱電偶，如果所選的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)種類(lèi)不匹配, 一樣產(chǎn)生誤差。使用K型熱電偶,選擇了E型偶的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)EX,如圖3所示。
 
　　根據(jù)中間導(dǎo)體定律,儀表所接收的總熱電勢(shì)為:
E'z(T1,T2)= Ek(T1,T3)+ Ee(T3,T2)   (6)
　　如果正確使用K型熱電偶補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)KC,不考慮補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)自身差,儀表測(cè)量的總電勢(shì)為:
Ez(T1,T2)= Ek(T1,T3)+ Ex(T3,T2)   (7)
　　由于選錯(cuò)了補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)儀表測(cè)量值由此產(chǎn)生誤差為(6)-(7),即
E'z- EZ= EEx(T3,T2)- EK(T3,T2)   (8)
　　K型熱電偶工作溫度為324C,控制間環(huán)境溫度T2為22℃,熱電偶冷斷溫度T3為98℃,分別查K偶和E偶分度表，得出電勢(shì)差為:
Eex(T3, T2)- Ex(T3, T2)= (6.184- 1.313)- (4.013-0.879)= 1.737nv
　　儀表測(cè)量溫度比實(shí)際溫度高。儀表控制在324'C時(shí),實(shí)際值只有280.9℃,誤差43.1℃.
三結(jié)論
　　由上面分析得出如下結(jié)論:由于更換了與熱電偶不匹配的補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)致顯示溫度比實(shí)際溫度高431℃, 以致引起了應(yīng)用實(shí)例中的故障現(xiàn)象?？梢?jiàn)補(bǔ)償導(dǎo)線(xiàn)與熱電偶要匹配，否則在控制回路中會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。