测温元件常见故障分析

测温元件常见故障分析
【摘要】：温度是热力控制系统的重要参量之一，几十年来它的测量技术得到了飞速发展，测量装置也从单一的测量功能向多功能、智能化和高精度方向转变。

本文系统的阐述了在当今大型火力发电机组上所应用的热工温度测量装置的种类、基本构造、测量原理及与DCS结合应用测量回路的构成，深入地分析了在使用过程中经常出现的故障和处理方法，为同行使用该装置时少走弯路提供理论参考。

【关键字】：热电偶热电阻分布式控制系统（DCS）温度变送器双金属温度计1．概述
温度信号是热力控制系统中的一个重要参量，通常一台600MW火电机组其温度测点的数量大致在1000点左右，占各类测点总量的1/3强，而且测量范围也非常广，从负的几十度（根据地区而定）到近千度。

因此所测温度信号的准确与否将直接影响到机组运行的安全性、稳定性和高效性。

随着仪表控制技术的飞速发展及分布式控制系统（以下简称DCS）的出现，原来广泛使用的温度测量装置，尤其是二次仪表部分（如温度变送器）已被逐渐淘汰，其功能已由DCS相应卡件上的通道来承担（一块卡件往往同时可以接受8至16个信号）。

与DCS结合后，温度测量信号的集成度和精度都有了明显提高，每一个信号都可以得到最大限度的应用：同一个信号在D CS内部既可以做监视用又可以做记录用，经过DCS转换后也可输出至其他设备用——非常灵活。

但对于前端的传感元件目前变化不是很多——热点偶和热点阻至今仍是被应用得最广泛的测温元件。

2．热电偶测量装置
2．1测量元件
热电偶因其结构简单、稳定性好、价格低廉（普通型国产约五、六百元一支）、寿命长（通常可使用4~6年，一些焊接式的如锅炉金属壁温热电偶可达10年以上，且主要是因遭长期污染或腐蚀后导致精度降低而更换，很少发生因机械原因而更换的）等优点，被广泛地应用，同时考虑到适合于电厂应用范围和高性价比因素，实际大多使用了E型（镍铬-康铜）热电偶，少数测点因测量精度要求较高或测点温度较高如炉膛烟温探针等则采用了K型（镍铬-镍硅）热电偶。

热电偶简单的结构决定了它极为可塑的应用形状，可以根据需要加工成粗细长短各不同的、单支或双支（通常采用双支热电偶，一支作为备用）的，有些热电偶如铠缆热电偶在使用时可将其头部进行弯扭以满足现场设备的不同安装形状要求。

众所周知热电偶的测量原理是热电效应，它同其他传感器最大的区别就是不需要加任何激励电源就可以产生信号。

不过它产生的是极弱电信号，一般只有几十个毫伏，为了防止信号失真对热电势的传送有着很高的要求：首先必须使用专用的电缆（称补偿电缆），而且不同型号的热电偶其补偿电缆也不一样（E型配镍铬—考铜线、K型配铜—康铜线）。

其次对干扰信号的屏蔽要求较高，线缆通常采用双层屏蔽。

2．2 冷端补偿
热电偶的冷端补偿功能已普遍移入DCS中。

以下以INFI－90控制系统为例，所有I/O柜都放置在环境温度恒定（一般为18℃~21℃）的电子室内，这样在I/O端子柜内进行冷端温度补偿时能够得到精度较高的测量值。

当热电偶冷端温度为零摄氏度（简称t0）时，补偿电桥R1= R2= R3= R F(t0)，电桥平衡，补偿电压U ba=0，测温回路的总电势为E AB(t,t0)。

当热电偶冷端温度变化，如上升为t1时，虽然热电偶的热电势减小了，但由于温敏电阻R F值增大，补偿电桥会有U ba电压输出，测温电路总电势为E AB(t,t1)+ U ba。

只要选择好补偿电桥的工作电流值，就可以使补偿电压U ba恰等于因冷端温度上升而减小了的那部分热电势E AB(t,t1)，使测温电路总电势E AB(t,
t0)保持不变，如图（1）。

以上补偿后的热电势E AB(t,t0)进入信号隔离器，在那里进行隔离变送将毫伏信号线性地转化为1~5伏信号（统一按900℃为满量程计算）后输入I/O卡件，在I/O卡件中进行模/数转换最后送控制器卡件进行运算和控制。

2．3软件处理及控制
进入DCS控制器卡件的温度信号是数字量信号（从工程师工作站上监视时，显示的还是毫伏值），同输入的毫伏电压值呈线性关系，所以要将它转换成温度信号还需要列表进行插值计算。

f(X)中的数据如下表（E型）：
毫伏值温度值(℃)
1 0 0
2 3.048 50
同时为了保证整个测量系统的可靠性,在控制逻辑中对每个主、重要温度测量参数现场安装了多个测点，例如过热器出口温度，双测点输入即冗余测点输入或三测点输入，相应的控制逻辑则采用二选一或三取中。

根据传热学定律可知热量的传递快慢取决于传热体的热阻，因此任何一种温度测量装置对于温场测量的反映都要比流量、液位、压力信号慢得多，再说热电偶的元件外通常还有一层保护套管。

所以它对温度变化的响应不是阶跃特性而接近于惯性特性，对此现场对温度控制的主控PI D中要加入一些导前分量，以防被控对象的温度过调。

2．4常见故障与分析
热电偶的常见故障主要表现有：
a．热电偶的补偿导线接反。

这主要是基建时出现的问题，负责接线的人员一时的粗心造成，属人为因数。

当出现热电偶的补偿导线接反情况时，操作员控制站上的显示通常比实际值偏大或偏小（根据通道测量回路而定）。

b．热电偶的补偿导线绝缘层被磨破，造成信号回路接地。

这主要是因为补偿导线较硬，而且在接线盒内又未被安放平整，处理故障时多次旋拧接线盒盖碰到补偿导线而将其磨破。

此类故障反映在操作员控制站上其温度示值一般偏小。

c．接线盒内接线端子接触不良。

因补偿导线和热电偶的导线都比较硬，所以现场检修时紧固接线比较困难，有时候开始把导线拧紧了但过段时间随着导线的变形又松了。

此类故障反映在操作员控制站上的温度示值为无显示或显示值超量程。

d．补偿电阻故障。

此类故障表现为热电偶接上后温度显示值缓慢上升或下降。

e．锅炉尾部烟道测量热电偶故障率较高。

停机检修时将热电偶拆下发现热电偶的头部包括护套管被烟气冲刷后严重磨损，将护套管改由耐磨钢材料制成后，才消除了此类故障隐患。

f．信号屏蔽系统DCS柜内接地不良。

此类故障极容易造成电荷在信号线上积累，引起信号漂移或晃动。

由于该问题故障点较难查明，通常的处理方法是解开信号线，对其进行对地放电处理。

g．温度输入信号经隔离器后故障，反映在操作员控制站上的温度值信号异常。

更换隔离器后正常。

以上是检修时经常碰到的问题，但在查找这些故障时，建议先用万用表在DCS 的I/O 端子柜上测量输入的电压值，这样可以迅速判断出是就地测量端问题还是DCS部分的问题，对于多点输入还可同另外几支热电偶信号进行比较。

如判断不出再行解线测量其电阻值，通常热电偶的电阻值为100Ω左右。

3．热电阻测量装置
以热电阻为测温元件的温度测量装置在火电厂里的使用率仅次于热电偶。

普通型国产热电阻约千元一支，价格较热电偶贵，但低温时特性较好，测量精度要高于热电偶，主要用于检测温度低于200℃的测点。

目前在测量发电机线圈温度及风机、磨煤机等大型辅机马达线圈温度上我厂大量采用了热电阻元件，一台600MW的机组热电阻测点约有二、三百个。

3．1热电阻元件
热电阻作为测温装置的传感部件，分为金属热电阻和半导体热电阻，我厂应用的是Pt100金属热电阻，因为它具有如下特性：
（1）电阻温度系数大，即灵敏度高；
（2）物理化学性质稳定，抗氧化性好，测量精度高，能长时间适应较恶劣的测温环境；
（3）电阻率大，电阻体积小，从而使得测温的热惯性小；
（4）在〈250℃时，电阻—温度关系近于线性关系；
热电阻元件结构一般由电阻体、引线、绝缘子或绝缘胶管、保护套管及接线盒组成，电阻体是用热电阻丝绕制在绝缘骨架上制成的，为消除绕制电感，通常采用双线并绕，这样，当线圈中通过变化的电流时，由于并绕的两导线电流方向相反，磁通互相抵消，消除了电感。

引线的作用是将热电阻体线端引至接线盒，以便与外部导线和DCS通道连接，引线的线径较粗，一般为1 mm左右，以减小附加测量误差，材料一般为银，接法采用三线制。

绝缘子或绝缘胶管套在引线上，以防止引线之间及引线与保护套管之间短路。

热电阻元件安装方式大都采用嵌入式，即将电阻体安放在由制造厂专门设置的测孔内，使用后感觉其测量的动态反应较好。

热电阻测量原理：热电阻测量装置是基于金属导体或半导体电阻值与本身温度呈一定函数关系的原理实现温度测量的。

金属导体电阻与温度的关系一般可表示为：
R(t)=R(t0)[1+α(t-t0)]
式中R(t)——温度为t时的电阻值；
R(t0)——温度为t0时的电阻值；
α——电阻温度系数，即温度每升高1℃时的电阻相对变化量。

由于一般金属材料的电阻与温度关系并非线性，故α值将随温度变化，并非常数。

3．2测量回路
当今与DCS配套使用的热电阻元件绝大多数采用三线制，因为三线制接法可以减小或消除因引线电阻变化所引起的测量误差。

DCS通道的测量回路也相应地采用电桥法，如图（2）。

电桥的对臂电阻各为R t、R1和R2、R3，则在电桥平衡时电阻间的关系为R t= R2·R3/ R1。

通道整定的测温范围为0~200℃，对应的R t为100~175.86Ω，R1、R2、R3的阻值经计算配对后，使整个测量回路的输出电流经取样电阻后其两端电压值对应为1~5V。

然后该电压信号送隔离器隔离后，再送I/O卡件，在I/O卡件中进行模/数转换最后送控制器卡件进行运算和控制。

3．3软件处理及控制
进入DCS控制器卡件的温度信号是数字量信号（从工程师工作站上监视时，显示的还是电阻值），它同输入的电阻值还是呈线性关系，所以要将它转换成温度信号还需要列表进行插值计算
f(X)中的数据如下表（Pt100型）：
电阻值(Ω温度值(℃)
1 100 0
2 107.62 20
因为热电阻的动态特性不如热电偶，所以在大型电厂中热电阻信号很少用于控制和保护，基本上是作为监视用。

3．4常见故障分析
前面提到过热电阻的应用场所大都为电机线圈、润滑油温度等，环境状况较好，元件的故障率相对较低，总结热电阻的常见故障主要表现在以下几方面：
(1) 部引线接线端子接触不良。

当“+”接线端子有问题时，操作员站上信号显示偏大或超量程；当“COM”接线端子有问题时，操作员站上信号显示偏小或超低量程；当“—”接线端子有问题时，操作员站上信号无显示或停留在原来值。

温度输入信号经隔离器后故障，反映在操作员控制站上的温度值信号无显示并且有信号坏质量故障报警。

更换隔离器后正常。

另外，注意在查找故障时，切忌在通道端子上接线未解开时就用万用表测量电阻值，这样不仅测不准RTD的阻值，而且有可能将万用表电阻档的输出电压串入通道中造成I/O通道损坏，更为严重的是，万一该点信号用于保护时，会造成机组跳闸。

4．就地温度计
除上述二种与DCS配套使用的热电偶和热电阻温度测量装置外，还有一种单纯用于就地显示的温度测量装置——就地温度计，此类温度计通常精度不高（一般为1.5级），在电厂中主要起辅助检测作用，数量也只有100来个，平常运行人员只是对它进行定时巡检，记录就地设备的温度示值数据，提供对在线运行设备情况的参考。

目前广泛使用的温度计有两种。

一种是双金属温度计，它是将两种不同的金属材料片贴焊在一起形成传感片，利用它们对温度变化的伸缩特性不一致而导致传感片的弯曲从而带动温度表的指针转动。

另一种是毛细管温度计，毛细管内充有硅油，当温度变化时，硅油随之产生膨胀或收缩而带动表头指针的转动来测量温度。

从目前使用的情况来看，这两种表计内部机械损坏概率不大，但随着使用时间延长，表计的精度会下降而且时常会发生卡针或表壳破损的情况，最后不得不更换。

就地温度计应注意强制检验周期，每次检修时都应该检验已到期的温度计，并且贴好标签密封安装。

5．结束语
现今温度测量装置在大型电厂中运用广泛，从我们用户的观点出发，总是希望该类装置能有非常高的可靠性和满意的测量精度、方便的维护手段，但往往是“鱼和熊掌不可兼得”，所以如何正确选择各种形式的测量装置对机组以后能否安全稳定运行、检修人员是否轻松高效至关重要。

尽量避免测温装置在大型机组中的常见故障，提高机组的安全稳定运行水平。