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热电偶测量元件及常见故障分析

作者:dolphin时间:2012-10-31

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。

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=RF(t0),电桥平衡,补偿电压Uba=0,测温回路的总电势为EAB(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RF值增大,补偿电桥会有Uba电压输出,测温电路总电势为EAB(t,t1)+ Uba。只要选择好补偿电桥的工作电流值,就可以使补偿电压Uba恰等于因冷端温度上升而减小了的那部分热电势EAB(t,t1),使测温电路总电势EAB(t,t0)保持不变

以上补偿后的热电势EAB(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。

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。

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PID中要加入一些导前分量,以防被控对象的温度过调。

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。



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