浅谈热电偶在火电中的使用

浅谈热电偶在火电中的使用
摘要：本文简述了热电偶的原理及各种热电偶常用的型号，并说明了使用的注意事项和误差产生的原因，同时阐述了热电偶补偿导线的使用的注意事项和误差的产生原因。

关键词：热电偶补偿导线误差注意事项
一、热电偶工作原理及其理论基础
若将两种不同的导体与半导体连接成闭合回路，再将其两个接点分别置于温度各为T及T0的热源中，则在该回路内即可产生热电动势，亦称热电势，这种现象叫做热电效应。

而温差电势则是在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势。

由于高温端（T）的电子能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，其结果是高温端失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷，从而形成一个静电场。

这样在导体两端便产生一个相应的电位差即温差电势。

这样在热电偶回路中接入第三种材料的导线，只要第三种导线两端温度相同，则第三种导线引入不会影响热电偶的电动势。

根据此性质，在回路中引入各种仪表、连接导线等，不用担心对热电偶的影响，所以也可采用焊接法制成热电偶。

二、常用热电偶的简介
现在我常用的热电偶主要有以下几种类型：
1.铂铑10-铂热电偶（S型，也称为单铂铑热电偶）Orton使用的就是这种热电偶该热电偶的正极成份为含铑10%的铂铑合金，负极为纯铂；它的特点是：热电性能稳定、抗氧化性强、宜在氧化性气氛中连续使用、长期使用温度可达1300℃，超达1400℃时，即使在空气中、纯铂丝也将会再结晶，使晶粒粗大而断裂；精度高，它是在所有热电偶中，准确度等级最高的，通常用作标准或测量较高的温度；使用范围较广，均匀性及互换性好；主要缺点有：微分热电势较小，因而灵敏度较低；价格较贵，机械强度低，不适宜在还原性气氛或有金属蒸汽的条件下使用。

2.镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（K型）
该热电偶的正极为含铬10%的镍铬合金，负极为含硅3%的镍硅合金（有些国家的产品负极为纯镍）。

可测量0～1300℃的介质温度，适宜在氧化性及惰性气体中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使用温度为1000℃，其热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的热电偶。

K型热电偶是抗氧化性较强的贱金属热电偶，不适宜在真空、含硫、含碳气氛及氧化还原交替的气氛下裸丝使用；当氧分压较低时，镍铬极中的铬将择优氧化，使热电势发生很大变化，但金属气体对其影响较小，因此，多采用金属制保护管。

K型热电偶的缺点：
热电势的高温稳定性较N型热电偶及贵重金属热电偶差，在较高温度下（例如超过1000℃）往往因氧化而损坏；在250～500℃范围内短期热循环稳定性不好，即在同一温度点，在升温降温过程中，其热电势示值不一样，其差值可达2～3℃；负极在150～200℃范围内要发生磁性转变，在室温至230℃范围内分度值往往偏离分度表，尤其是在磁场中使用时往往出现与时间无关的热电势干扰；长期处于高通量中系统辐照环境下，由于负极中的锰（Mn）、钴（Co）等元素发生蜕变，使其稳定性欠佳，致使热电势发生较大变化。

3.镍铬硅-镍硅热电偶（N型）Orton的低温膨胀仪上使用的就是这种热电偶该热电偶的主要特点是：在1300℃以下调温抗氧化能力强，长期稳定性及短期热循环复现性好，耐核辐射及耐低温性能好，另外，在400～1300℃范围内，N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好；但在低温范围内（-200～400℃）的非线性误差较大，同时，材料较硬难于加工。

4.铂铑30-铂铑6热电偶（B型）
该热电偶的正极是含铑30%的铂铑合金，负极为含铑6%的铂铑合金，在室温下，其热电势很小，故在测量时一般不用补偿导线，可忽略冷端温度变化的影响；长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，因热电势较小，故需配用灵敏度较高的显示仪表。

B型热电偶适宜在氧化性或中性气氛中使用，也可以在真空气氛中的短期使用；即使在还原气氛下，其寿命也是R或S型的10～20倍；由于其电极均由铂铑合金制成，故不存在铂铑-铂热电偶负极上所有的缺点、在高温时很少有大结晶化的趋势，且具有较大的机械强度；同时由于它对于杂质的吸收或铑的迁移的影响较少，因此经过长期使用后其热电势变化并不严重、缺点价格昂贵。

5.铜-铜镍热电偶（T型）
T型热电电偶，该热电偶的正极为纯铜，负极为铜镍合金（也称康铜），其主要特点是：在贱金属热电偶中，它的准确度最高、热电极的均匀性好；它的使用温度是-200～350℃，因铜热电极易氧化，并且氧化膜易脱落，故在氧化性气氛中使用时，一般不能超过300℃，在-200～300℃范围内，它们灵敏度比较高，铜-康铜热电偶还有一个特点是价格便宜，是常用几种定型产品中最便宜的一种。

6.铁-康铜热电偶（J型）
J型热电偶，该热电偶的正极为纯铁，负极为康铜（铜镍合金），具特点是价格便宜，适用于真空氧化的还原或惰性气氛中，温度范围从-200～800℃，但常用温度只是500℃以下，因为超过这个温度后，铁热电极的氧化速率加快，如采用粗线径的丝材，尚可在高温中使用且有较长的寿命；该热电偶能耐氢气及一氧化碳等气体的腐蚀，但不能在高温（例如500℃）含硫的气氛中使用。

三、热电偶使用注意事项
如果热电偶安装和使用不当，不但会增大测量误差，还可能降低热电偶的使用寿命。

因此，应根据被测温度范围和工作环境，正确安装和合理使用热电偶。

1.应选择合适的安装地点。

由于加热炉内温度分布不均匀，热电偶测得的又是局部区域的温度，因此应选择合适的测量点安放热电偶。

通常可将热电偶安装在温度较均匀且能代表工件温度的位置，而不能安装在炉门旁或离加热源太近的地方。

2.安装热电偶的位置应尽可能离开强电磁场，以免测温仪表引入附加干扰信号。

3.热电偶插入炉膛的深度应不小于热电偶保护管外径的8～10倍，热端应尽可能靠近工件，但必须保证装卸工件时不损坏热电偶。

4.热电偶的接线盒不应紧靠炉壁，以免其冷端温度过高。

一般应离炉壁200mm左右。

5.热电偶应尽可能保持垂直使用，以防高温下保护管变形。

若需水平安装，插入深度不应大于500mm，露出部分应用架子托牢，使用一段时间后，应将其旋转180°；为防止热电偶接线盒温度过高，也可选用直角形热电偶。

6.热电偶保护管与炉壁之间的空隙应使用耐火材料严密堵塞，以免空气对流影响测温的准确性。

补偿导线与接线盒接线孔之间的空隙也应用石棉线塞紧，并使其朝下，以免污物落入。

7.用热电偶测量炉温时，应避开火焰的直接喷射，因火焰喷出处的温度比炉内实际温度高且不稳定。

8.测量低温时，为减小热电偶的热惰性，可采用保护管开口或无保护管的热电偶。

9.使用期内的热电偶，应经常检查热电极和保护管是否良好，如果发现热电偶表面有麻点、污渍、局部直径变细或保护管表面腐蚀严重等现象，应停止使用，并维修或更换新热电偶。

四、热电偶经常引起误差的原因
1.安装不当引入的误差
如热电偶安装的位置及插入深度不能反映炉膛的真实温度等，换句话说，热电偶不应装在太靠近门和加热的地方，插入的深度至少应为保护管直径的8～10倍；热电偶的保护套管与壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞
以免冷热空气对流而影响测温的准确性；热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃；热电偶的安装应尽可能避开强磁场和强电场，所以不应把热电偶和动力电缆线装在同一根导管内以免引入干扰造成误差；热电偶不能安装在被测介质很少流动的区域内，当用热电偶测量管内气体温度时，必须使热电偶逆着流速方向安装，而且充分与气体接触。

2.绝缘变差而引入的误差
如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢或盐渣过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百度。

3.热惰性引入的误差
由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。

所以应尽可能采用热电极较细、保护管直径较小的热电偶。

测温环境许可时，甚至可将保护管取去。

由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。

测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。

当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示的温度虽然波动很小，但实际炉温的波动可能很大。

为了准确的测量温度，应当选择时间常数小的热电偶。

时间常数与传热系数成反比，与热电偶热端的直径、材料的密度及比热成正比，如要减小时间常数，除增加传热系数以外，最有效的办法是尽量减小热端的尺寸。

使用中，通常采用导热性能好的材料，管壁薄、内径小的保护套管。

在较精密的温度测量中，使用无保护套管的裸丝热电偶，但热电偶容易损坏，应及时校正及更换。

4.热阻误差
高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。

因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。

五、热电偶补偿导线
热电偶补偿导线已经广泛用于热电偶温度测量中。

如果了解了热电偶补偿导线的原理、功能、作用方法和注意事项，就能充分发挥热电偶补偿导线的作用，否则就会适得其反。

某钢管生产企业新引进的一套球化炉装置，装置的二十多个测温点由于设备安装人员将热电偶正负极接反，且补偿导线还存在多接头现象，再加上设备使用人员对此知识的贫乏，在工作中因炉温不正确导致炉内产品报废，直接经济损失达一百多万元，教训不可谓不深刻。

实际上在众多热电偶测温现场，笔者发现用普通铜导线作连线的占40%，而
使用补偿导线作连接线的仅占60%。

究其原因有二：
一是由于热电偶设备使用操作人员不了解补偿导线功能，认为既然只要起到连接作用，普通导线即可。

二是设备制造商在安装热电偶时，用的连接线即为普通导线，而在使用者角度总认为设备安装人员都是专业人员，做法总是正确的，没能引起应有的怀疑。

在工业生产中，虽然热电偶作为温度传感器，已经广泛使用于温度测量和控制，人们对此也比较熟悉，但如果在使用中不注意正确的使用方法，就会给测温和控温造成很大的偏离，严重时会直接造成经济损失，所以应该引起重视。

补偿导线引起的误差基本有以下3种情况：
1.热电偶补偿导线正负极与热电偶接反
如果将热电偶补偿导线的正负极与热电偶正负极接反，而热电偶的正负极与DCS端子的正极连接是正确的。

这种错误在应用中比较普遍，因为连接后，被控制对象的温度变化趋势与显示仪表是一致的。

加之目前热电偶补偿导线产品很多标注不规范，难以辨认；有些甚至是生产厂家将颜色标错。

一般工业炉附近的温度，至少比控制间的温度高8℃。

那么由此产生误差正好是补偿导线补偿值的2倍。

对于K型偶，微分电势值基本在40℃/（μV）左右，测量温度大约比实际温度低16℃。

如果控制温度设定在600℃，实际温度应该在616℃左右。

从上面的分析可以看出，当热电偶补偿导线正负极接反，不仅没有起到补偿作用，误差比不接补偿导线还增加一倍，因此补偿导线在连接时一定要注意极性。

如果不能确定热电偶补偿导线极性时，可以取一段补偿导线，将一端绝缘去掉后拧在一起，放在热水杯中，用普通万用表直流电压量程最低档测量另一端的2根线，万用表上会显示测量电压的正负，信号的正极为补偿导线的正极。

2.使用的补偿导线型号不对同种补偿导线配同种热电偶，如果所选的补偿导线种类不对，一样产生误差。

假设使用S型热电偶，选择了K型偶的补偿导线KX，仪表测量温度比实际温度高。

如果仪表控制在900℃时，实际值只有875.1℃，误差24.9℃。

如果上述情况又将极性接反，仪表测量值偏高，仪表显示900℃时，实际温度为933.2℃，误差33.2℃。

3.补偿导线与导线混用
在实际应用中，经常会发现由于补偿导线不够长用普通导线连接，或补偿导线断后接上一段普通导线，折合成温度值与采用的何种热电偶有关。

通常廉金
属热电偶的微分电势要大于贵金属热电偶。

因此上述影响折合成温度，贵金属热电偶影响要大些。

六、补偿导线使用中注意事项
1.补偿导线的选择
补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。

例如，K型偶应该选择K型偶的补偿导线，根据使用场合，选择工作温度范围。

通常KX工作温度为-20～100℃，宽范围的为-25～200℃。

普通级误差为±2.5℃，精密级为±1.5℃。

2.接点连接
与热电偶接线端2个接点尽可能近一点，尽量保持2个接点温度一致。

与仪表接线端连接处尽可能温度一致，仪表柜有风扇的地方，接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。

3.使用长度
因为热电偶的信号很低，为微伏级，如果使用的距离过长，信号的衰减和环境中强电的干扰偶合，足可以使热电偶的信号失真，造成测量和控制温度不准确，在控制中严重时会产生温度波动。

根据我们的经验，通常使用热电偶补偿导线的长度控制在15米内比较好，如果超过15米，建议使用温度变送器进行传送信号。

温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送，抗干扰强。

4.布线
补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。

在避免不了穿越的地方，也尽可能采用交叉方式，不要平行。

5.屏蔽补偿导线
为了提高热电偶连接线的抗干扰性，可以采用屏蔽补偿导线。

对于现场干扰源较多的场合，效果较好。

但是一定要将屏蔽层严格接地，否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用，反而增强干扰。

七、总结
热电偶的广泛应用使现代的自动化水平大幅度提高，合理有效的利用不同的热电偶可以更真实更精确的显现各种工业过程，热电偶在电厂的广泛应用也促进了火电厂自动化水平的提高，合理应用使机组运行的更加稳定安全，从而保证电
网的安全运行，也促进了社会生产水平的提高。

参考文献
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