熱電偶在生產應用中的故障分析

[摘要]熱電偶也叫溫差電偶,是最早出現的一種熱電探測器件。熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度器件,它的主要特點就是測溫范圍寬,性能比較穩定,同時結構簡單，動態響應好,更能夠遠傳4- 20mA 電信號,便于自動控制和集中控制。本文中根據熱電偶的工作原理，對應用實例中出現的故障現象進行分析處理。
引言
　　某氯丙稀廠在停車大修后,開車時,從反應器中出來的成品到氯化冷凝器冷凝,通過視鏡,看到成品的顏色呈黑色,說明系統結碳嚴重;再通過提高氯氣的進料量,而反應器中部溫度不變,進一步說明系統結碳嚴重;并且無法生產出合格的成品,只能重新清理系統中的結碳。
　　該氯丙稀廠的丙稀預熱溫度采用熱電偶測量。熱電偶為K型,其補償導線正極為鎳鉻,負極為鎳硅。預熱溫度計安裝在張力換熱器的出口。張力換熱器表面溫度為98℃。預熱溫度一般控制在320℃。預熱溫度是十分重要的工藝參數,它的高低直接決定著系統結碳程度,也是判斷系統能否正常工作的一個參數。下面就這一故障現象作出診斷及處理。
一、故障推斷
　　上述應用實例中出現的問題主要是由預熱溫度過低導致的,分析溫度過低的原因可能為:
①二次數顯表顯示不準;
②熱電偶可能已損壞;
③補償導線可能存在問題。
二、分析處理
　　對上述可能導致故障現象出現的原因做以下分析處理:
①檢測二次數顯表，能顯示準確溫度,從而排除由于數顯表而導致溫度過低的推測;
②用萬用表檢測熱電偶,熱電偶工作性能良好,從而排除由于熱電偶而導致溫度過低的推測;
③檢查補償導線,由于熱電偶的接線盒所處環境溫度太高，導致補償導線的絕緣層被燒焦,因此在大修時更換了補償導線。經過檢測，更換后的補償導線的正極為鎳鉻,負極為銅鎳,由此便知更換的補償導線與原先的補償導線的型號存在差異。則可能是更換補償導線導致預熱溫度過低,從而出現了上述故障現象，下面進行詳細推理分析。
(一)熱電偶的測溫原理
　　熱電偶測溫基本原理是將兩種不同材料的導體或半導體A和B焊接起來,構成-一個閉合回路,當導體A和B的兩個執著點1和2之間存在溫差時,兩者之間便產生電動勢,因而在回路中形成一個大小的電流,這種現象稱為熱電效應。熱電偶就是利用這一效應來工作的。如圖1所示，由兩種不同均質材料A.B組成的回路稱為熱電偶。A.B材料兩端連接的接點分別用M 1.M 2表示，如果M 1M2的接點溫度T1和T2不一-樣, 在回路中就會產生電勢,通常稱為熱電勢。當A.B的材料一定時,熱電勢的大小取決于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,接點溫度TI, T2之間的溫差電勢。
eAB(T1)一A.B接點溫度為T1時的電勢。
eAB(T2)、asa(T2)-- A.B 接點溫度為T2時的電勢,這兩項大小相等,符號相反。
 
　　為了統一熱電偶材料并進行規范,國家有關標準規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，統一用一個字母命名型號,如K型s型等。為了使用方便,將各種型號的熱電偶溫度值與電勢關系統一為相對于0C時的電勢值,這里用T0表示，制成各種型號的熱電偶分度表,便于查閱和計算。
　　這樣相對于圖1中的形式，公式(1)轉化為:
EAB(T1,T2)= EAB(T1,T0)- EAB(T2,T0)         (2)
(二) 熱電偶的連接導體定律和中間溫度定律
 
　　首先來分析熱電偶的連接導體定律和中間溫度定律,如圖2所示。實際應用中,測量和控制儀表與熱電偶總是有一段距離。C、D也是兩種均質材料,根據熱電偶的中間導體定律,可以導出測量的總電勢Ez的表達式為：
Ez= EAB(T1,T3)+ Ea(T3,T2) (3)
　　式(3)就是熱電偶連接導體定律。如果連接的不是一段,總電勢Ez同樣為各個部分之和。在圖2的測量中,希望測量端的總電勢為熱電偶EAB (T1, T2),便于控制儀表測量中不至于中間連接產生附加電勢,表達式為:
EAB(T1,T2)= Ez= EAB(T1,T3)+ EAB(T3,T2)   (4)
　　式(4)中T3稱為中間溫度,所以也稱為中間溫度定律。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)
　　滿足式(5)的材料稱為熱電偶的補償導線。因為熱電偶的種類較多,所以熱電偶補償導線的種類也較多。
(三)使用的補償導線型號不對產生的誤差
　　同種補償導線配同種熱電偶，如果所選的補償導線種類不匹配, 一樣產生誤差。使用K型熱電偶,選擇了E型偶的補償導線EX,如圖3所示。
 
　　根據中間導體定律,儀表所接收的總熱電勢為:
E'z(T1,T2)= Ek(T1,T3)+ Ee(T3,T2)   (6)
　　如果正確使用K型熱電偶補償導線KC,不考慮補償導線自身差,儀表測量的總電勢為:
Ez(T1,T2)= Ek(T1,T3)+ Ex(T3,T2)   (7)
　　由于選錯了補償導線儀表測量值由此產生誤差為(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，得出電勢差為:
Eex(T3, T2)- Ex(T3, T2)= (6.184- 1.313)- (4.013-0.879)= 1.737nv
　　儀表測量溫度比實際溫度高。儀表控制在324'C時,實際值只有280.9℃,誤差43.1℃.
三結論
　　由上面分析得出如下結論:由于更換了與熱電偶不匹配的補償導線，導致顯示溫度比實際溫度高431℃, 以致引起了應用實例中的故障現象。可見補償導線與熱電偶要匹配，否則在控制回路中會產生很大的誤差。