非金屬熱電偶在高溫探測中的應用

摘要:介紹了高溫測量中傳統溫度傳感器的缺陷,提出了一種新型的非金屬溫度傳感器一石墨纖維熱電偶,并對該傳感器的特性、加工方式、應用環境進行了分析。設計了溫度傳感器的放大、濾波、模數轉換、數字化處理的硬件電路,并采用分段曲線擬合方法對傳感器的非線性進行了校正,從而使傳感器在較大的測量區間內具有良好的可靠性。從理論上分析,該傳感器測量溫度高達3000℃以上,解決了高溫環境下鋼水溫度的連續測量問題.
　　在冶金、鋼鐵、建筑材料、化工等眾多行業中,溫度是確保順利生產和質量控制的重要參數。溫度測量直接關系到產品的質量與生產成本。因此，準確地進行生產過程的溫度測量,對指導生產的正常進行意義重大。在熱工生產中,鋼、鐵在熔融狀態下，溫度達到1200℃以上,主要測量方法有接觸式的鉑銠金屬熱電偶溫度計和非接觸式的紅外輻射溫度計。紅外輻射溫度計是利用測量高溫物體的熱輻射獲得溫度值,其溫度采集主要利用光學方法,通過光學準直系統采集和傳送被測溫區的輻射能,通過亮度、色度比較方法確定被測物體的溫度,但測量精度不如接觸測量。鉑銠熱電偶以其測溫精度高、熱電互換性好、材質抗氧化等優點獲得了廣泛應用,其中B型鉑銠熱電偶被選定為國際溫標基準測溫儀器。實踐發現,采用鉑銠30/6熱電偶雖然可連續測量鋼水溫度3~4h,但測量時間受限于保護器材和裝備的穩定性,且不應在還原性氣氛和含有金屬及非金屬蒸氣的氣氛中使用，也不應在沒有可靠保護時使用。由此可見，鉑銠熱電偶的不足:①材質熔點低，不耐高溫;②性能嬌貴不耐腐蝕,尤其在高溫應用中,熱電偶保護套管經常損壞,使昂貴的鉑銠熱電極很快被熔融金屬、爐渣、酸、堿、鹽液體及硅、硫、碳、氟、氯等腐蝕性較強氣體腐蝕壞;③不耐老化、易斷、易丟失、使用范圍小;④資源短缺、成本昂貴。鉑銠高純材料是單一金屬造價最高的物質,高純鉑銠絲每克重達數百元，我國用料多靠進口。根據市場需求分析,目前,鋼水包內鋼水、工頻加熱爐內鐵水的溫度測量仍用快速熱電偶完成,每次測溫消耗一只,每個爐子每年消耗10萬元以上的熱電偶，因此，選用一種性能可靠、損耗小的測溫儀是很有必要的。
　　石墨纖維熱電偶以石墨纖維為敏感元件,利用熱電效應進行溫度測量。它屬于人工合成非金屬熱電偶,呈線狀黑亮體、柔軟可撓、質輕不嬌。原材料為聚丙烯腈碳纖維,向正極中滲硼,再經3600℃高溫石墨化燒成。在燒成過程中硼原子擴散到石墨晶.格中,取代碳原子質點形成替位式半導體結構,使碳纖維高度石墨化,微觀結構發育完善,晶格形狀穩定。該電偶只要在低于燒成溫度下測溫,熱電性能十分穩定。與鉑銠熱電偶相比,石墨纖維熱電偶具有以下優點:①耐高溫。由于燒成溫度高達3600°C,因此可以測量3000℃以上高溫。②材質抗腐蝕性增強。尤其在高溫應用中不怕熔融金屬、熔渣、液體酸堿鹽及硅、氯、硫、碳、氟等元素氣體的強腐蝕作用。③原材料成本低。每克石墨纖維成本不足一元。④耐老化,不易脆斷,靈敏度較高。鑒于以上分析,選用石墨纖維熱電偶進行鋼水溫度測量是完全可行的。
1石墨纖維熱電偶測溫系統的組成
　　石墨纖維熱電偶傳感器一般做成棒型,其整體主要由熱電極、絕緣管、保護管、接線盒等幾部分組成,其中熱電極是用石墨纖維材料制成的,屬于測溫的敏感元件。熱電偶的輸出信號經過溫度送變器轉變成4~20mA的直流電壓信號。由于溫度測量是.在條件較惡劣的環境下進行,存在著較強的電磁干擾，因此，傳感器信號須經過濾波后再由前置模擬電路進行放大,并通過濾波器后得到模數轉換器需要的電壓信號。單片機獲得溫度信息后,再根據事先設定的修正模式及參數經過運算處理后,得到被測的溫度數據,由單片機根據用戶的操作將溫度數據輸出到數碼管直接顯示、或由微型打印機打印、或者通過D/A轉換以電流形式輸出給監控儀表,也可以由串行通訊接口上傳給微機進行進一步的分析與控制[4]。其測量結構框圖如圖1所示。
 
　　在此選用AT89C52單片機系統作為信號控制單元,它是一個低電壓、高性能的8bit單片機,片內含8kbyte的可反復擦寫的只讀程序存儲器和256byte的隨機存取數據存儲器,該器件采用高密度、非易失性存儲技術生產,片內置通用8bit中央處理器和Flash存儲單元,內含2個外中斷口,2個全雙工串行通信口,可以按照常規方法進行編程,也可以在線編程。將其通用的微處理器和Flash存儲器結合在一起,特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發成本,因此適用于許多較復雜系統控制應用。
　　模數轉換選用美國Intersi公司生產的一種高.精度、低噪聲、低漂移、價格低的雙積分式12bi-tA/D轉換器ICL7109,它配有較強的接口功能，能方便地與AT89C52單片機系統相連，其轉換方式.既可以連續轉換,也可以由外部時間控制。D/A轉換器選用分辨率為12bit的AD7521,功耗低,輸出電流穩定時間短,采用兩級緩沖可以有效地避免輸出電壓出現毛刺現象。同時對鍵盤顯示采用了BC7281A進行管理，它可以驅動128段LED顯示及64鍵鍵盤,且驅動輸出極性與輸出時序均為軟件可控,從而可以和各種外部電路配合。考慮到單片機系統與PC機之間的距離較遠,不便采用并行數據通訊,采用了RS-232C串行通訊接口,通訊距離可長達15m,傳輸速率最大為20kB/s。
　　采用石墨纖維熱電偶溫度傳感器,既可以對溫度進行間斷測量,也可對鋼水的溫度進行連續測量，并實時顯示測量結果。這樣便為實現煉鋼生產閉環控制提供了有力的保證,對提高生產率和產品質量有直接意義,因此有可能成為取代現行的一次性偶頭間斷測溫的定向化產品。該系統不僅具備連續測溫的特點,同時融合了接觸式測溫準確可靠和非接觸式測溫成本低的優點。該系統投入使用,將創造巨大的社會效益和經濟效益。
2熱電偶熱電勢一溫度關系線性化
　　利用石墨纖維熱電偶溫度傳感系統,對鋼水的溫度進行了測量,獲得了最高溫度為1300℃的相關數據。圖2、圖3、圖4分別給出了不同熱電偶的輸出電壓隨溫度變化的關系,從中可以看出,在溫度較低的區域內,曲線的線性較好,當溫度較高時，曲線出現明顯的非線性。以P,N、PrNz、PzN3型傳感器為例,在100C~700℃溫度區間非線性誤差很小,通常為1.9%;而在700℃~1300℃溫度區間內非線性誤差十分明顯,高達12%。如此嚴重的非線性誤差是無法達到測量要求的，必須對溫度傳感器進行線性化校正。
　　非線性誤差的校正方法很多,有硬件補償法和軟件補償法。硬件補償可以采用不同增益的運算放大器或可變電壓源電橋;軟件補償法包括函數運算法、擬合法等,一般由函數運算實現。相比較而言，軟件補償法更具有通用性,為了確保溫度測量在整個的測量范圍內都有較高的精度,在傳感器的數據采集與處理系統中采用函數擬合的方法來推算出傳感器的輸人、輸出關系,然后再通過對實測值進行選定函數的數值計算,求得準確的測量結果。
 
　　將熱電偶的熱電勢公式用冪級數展開:
E(T)=β0+β1T+β2T²+...+βnTⁿ(1)
　　用計算機模擬計算可求得β0~βn。但在實際測量時,都是由測得的熱電勢E(T)求得溫度T，況且從圖2、圖3、圖4的特性曲線上看出,在不同的溫度區間內,非線性程度不同,為此采用最小二乘法進行折線分段擬合,根據石墨纖維熱電偶的輸出特性,將100C~1300℃范圍分成兩個段,擬合公式如下:
T=λ0十λ1E+...+λmE^m(2)
　　用這種方法，可由測得的熱電勢值直接算出被測溫度,并可方便地實現測控。以圖2的熱電偶為例,取m=2,在100C~700℃區間,求得擬合系數與擬合公式為:
λo=41.1107
λ1=24.2708
λ2=0.091
T1=41.1107+24.2708E+0.091E²(3)
　　同理,在700℃~1300℃區間內,求得擬合系數與擬合公式為:
λ0=1241.2479λ1=-67.2466λ2=1.8414
T2=1241.2479一67.2466E+1.8414E²(4)
　　圖5、圖6、圖7分別為PN、P2N2、P3N3型傳感器的擬合曲線,其中P1N、P2N2型傳感器擬合溫度誤差如表1、表2所示。從表中可以看出，除個別點外,計算溫度值與實際溫度的誤差大都在1%以內,完全達到了測量要求.
 
3系統的軟件設計
　　測試系統的軟件主要完成對信號的采集、處理、數據傳輸、信息輸入與溫度顯示等功能,見圖8。它由兩部分組成:單片機部分主要完成信號的采集、系統的外部接口、控制功能;主要包括A/D采集和轉換模塊、D/A轉換模塊、顯示模塊以及鍵盤輸人處理模塊。PC機部分則將單片機傳送來的各種數據通過一系列修正模型計算出溫度,然后將結果返回給單片機。這樣將原本由一個單片機處理需要花費很長時間的數學模型計算交給PC機,讓二者各取所長,使得整個系統計算溫度的速度大大提高,提高了測溫儀的實時響應特性。為了便于溫度的實時監測,將A/D轉換器設置為連續轉換方式，系統軟件主體流程如圖8所示。
 
4結論
　　由此可見，基于石墨纖維傳感器的鋼水溫度連續測量系統,兼有接觸式測溫的準確性和非接觸式測溫成本低的優點。用簡單低的非金屬材料代替昂貴的鉑銠熱電偶的偶頭間斷測溫方式,實現了鋼水溫度的連續測量。由于該測溫系統測量位置固定,避免了快速偶頭因制作質量和人為插人深度不同而造成的分散性誤差。由于采用了分段式的數據擬合,使得測量結果的準確性和可靠性有了保障。同時由于傳感器的抗干擾性強,整個測量系統運行穩定可靠,適用于現場測量,且測溫儀壽命增長。該裝置操作簡單方便,具有很好的經濟和社會效益。