上海自動化儀表三廠熱電偶的應用及大修檢查

上海自動化儀表三廠溫度檢測的重要性

化工生產是一個非常復雜的物料平衡變化過程，生產進行的程度通常無法直觀的觀察，只能通過一些能反映過程變化的參數(shù)來間接的認知，進而進行相應的操作，以保證生產的平穩(wěn)運行。雖然表征生產進行程度的參數(shù)很多，但對于一個復雜生產的整個過程，一些特定表征參數(shù)很難全面的反映出生產的進行程度。物料平衡變化的同時也發(fā)生能量的產生和轉移，無論是物理反應還是復雜的化學變化，都可通過能量的檢測來判斷生產的進程。溫度是表征能量大小的物理參數(shù)，因此對于化工生產我們只需檢測一些關鍵點的溫度就可判斷出生產進行的程度，從而能夠控制生產提高產能減少能耗保證安全，所以溫度檢測是化工生產中一個非常重要的參數(shù)。

上海自動化儀表三廠溫度檢測的手段

化工生產的溫度檢測分為就地指示和遠傳顯示控制兩大類，就地指示比較簡單通常使用雙金屬溫度計精度較差通常不作為生產控制調節(jié)的依據(jù)。遠傳溫度儀表把現(xiàn)場測量點的溫度遠傳到控制室顯示和控制是生產的重要參數(shù)，作為生產控制的重要手段要求準確可靠。

相比化工生產中繁雜的各類檢測儀表，溫度檢測是傳統(tǒng)四大檢測參數(shù)中類型最少結構最簡單的儀表?，F(xiàn)場使用的遠傳溫度檢測儀表通常只有三大類：

高溫輻射式溫度計，用于生產溫度長期處于1000度以上的生產場合，這類儀表在大多數(shù)生產中應用較少。

熱電阻溫度儀表，通常用于低于200度以下生產的低溫場合。應用最多的是各種機泵設備本身的溫度檢測，用來檢測設備運行的溫度防止超溫損壞設備。

熱電偶溫度檢測儀表，因為測溫范圍廣可以從-200——1200度范圍內使用是化工生產中應用最廣泛的溫度檢測儀表。熱電偶根據(jù)使用的溫度范圍又分為很多型號，其中應用最為廣泛的是K型熱電偶。雖然不同型號的熱電偶的材質不同，但它們的測溫原理相同。

上海自動化儀表三廠熱電偶測溫原理

熱電偶是一個非常簡單檢測儀表，只要把兩根不同材質的導體一端焊接在一起，就可以制成一個熱電偶溫度計。如此簡單構造儀表的測溫原理是金屬導體的熱電效應，這種熱電效應有兩部分構成：接觸電勢和溫差電勢。

熱電偶熱端實物如圖所示：

接觸電勢

接觸電勢是熱電偶能夠測溫的主要原因。如同電子器件中的二極管PN結一樣，熱電偶的熱端是由兩種不同材質的導體焊接在一起，由于導體密度的不同會產生一個電子密度差，在這個密度差的作用下兩導體接觸面由于電子的擴散速率不同就會產生一個變化的電場，當接觸面溫度不變時電子擴散會達到一個動態(tài)平衡，產生一個恒定的靜電場——接觸電勢。

同溫不同材質下的接觸電勢

當溫度恒定時，接觸電勢大小只與熱電偶兩個導體的材質有關。如同二極管的硅管與鍺管的導通電壓大小不同一樣，不同材質組成的熱電偶在同一溫度下的接觸電勢是不一樣的。從而不同型號的熱電偶在同一溫度下的電勢不同，因此熱電偶分為很多型號和不同的使用范圍。

上海自動化儀表三廠同材質不同溫度下的接觸電勢

同一型號的熱電偶不同溫度下的接觸電勢不同，這是因為當熱電偶接觸端（兩導體焊接在一起）的電子擴散在溫度變化時平衡會被打破，進行新的電子擴散達到新的平衡點，此時兩導體產生的靜電場——接觸電勢與先前的電勢不在相同。如同二極管在不同溫度下的靜態(tài)參數(shù)不同一樣，此時熱電偶會產生一個變化的電勢。

對于一個已經制造好的成品熱電偶，其接觸電勢的大小與熱電偶接觸端的溫度成對應關系，溫度高，電勢大，因此把這種接觸電勢叫做熱電勢。

溫差熱電勢

溫差電勢是熱電偶能夠表征溫度的主要原因。溫度是用來表征能量大小的一個人為規(guī)定的物理量，雖然有絕對意義上的零點，但與我們的生活相差太大，如同氣壓一樣我們平常所說的溫度零度是攝氏零度，是一個人為設定的零點。測溫儀表的信號需要一個基準對照溫度才能把溫度復現(xiàn)出來，這個基準就是我們日常生活中所用到的攝氏零度。

溫差熱電勢產生原因如圖：

熱電偶使用中產生的熱端接觸電勢，需要遠傳到控制室內進行溫度復現(xiàn)，溫度的復現(xiàn)需要基準攝氏零度作為依據(jù)，但控制室內很難也無法做到恒定的零攝氏度的溫度基準，為保證熱電勢在傳輸中不發(fā)生溫度梯度變化失真，需要一個能夠把現(xiàn)場熱電勢延伸到控制室內的措施——溫差電勢延伸。

溫差電勢

一個導體如果兩端溫度不同，那么其導體兩端的電子能量就不同，溫度高的電子能量高就會向溫度低的方向擴散，從而在高溫處產生正電勢，在低溫處產生負電勢，當電子擴散達到動態(tài)平衡后就形成一個靜電場——溫差電勢。熱電偶就是通過這個原理實現(xiàn)了把熱端溫度產生的熱電勢延伸到控制室的目的，避免了傳遞過程中溫度梯度變化而產生的測量失真。

熱電偶的接觸電勢和溫差電勢疊加就是整個熱電偶的測溫原理，把難檢測的溫度物理量變成能夠方便檢測處理的毫伏電壓信號，從而實現(xiàn)了被測點溫度遠傳的目的。

熱電偶測溫如圖所示：

熱電偶測溫組成

熱電偶本身構造雖然簡單，但要想準確測溫需要構建一個良好的測溫系統(tǒng)，其主要由以下三部分構成：熱電極、護套管、補償導線

熱電極

熱電極通常叫做熱電偶，是熱電偶能夠測溫的核心部件。出于制造成本的考慮熱電極的長度通常有限大多數(shù)在1米左右，而現(xiàn)場測溫點距離控制室大多在幾百米以外，因此熱電偶需要一個接線端子，通過其它形式把信號傳到控制室。

熱電極根據(jù)不同材質可分為不同的型號，工業(yè)現(xiàn)場應用通常使用K型和E型熱電偶。K型熱電偶為鎳鉻—鎳硅熱電偶，測溫范圍廣，在-200——1000度內可長期使用，能夠適應工業(yè)生產的大多數(shù)狀況得到大量應用。E型熱電偶為鎳鉻—鎳銅熱電偶，使用范圍比K型小為-50—600度，但由于同一溫度下產生的熱電勢比K型的大，低溫時的誤差相對較小，在400度左右的生產中應用也非常多。

熱電極構造通常分為裝配式和鎧裝式兩大類。

裝配式熱電偶是一種普通的熱電偶，熱電極的兩端使用耐高溫的絕緣陶瓷柱作為絕緣套，防止熱電偶兩端短路，熱電極的末端接到絕緣接線端子柱上。這種構造方便現(xiàn)場安裝，當熱電極與護套管長度不同時，可根據(jù)護套管的長度進行自由切割，對于現(xiàn)場安裝方便快捷。使用中陶瓷絕緣套易損壞，會造成絕緣不好，甚至引起熱電偶兩導體短路，所以拆卸安裝時要小心，盡可能的保證陶瓷套管的完整。

熱電極裝配式與鎧裝式實物如圖所示：

鎧裝式熱電偶，熱電極插入到一細長的金屬護套管，里面填充耐高溫的絕緣氧化鋁、氧化鎂等制成，末端引線接入接線端子板上。由于鎧裝熱電偶有金屬外殼保護其機械強度高，可彎曲安裝，絕緣不易損壞，因此得到大量的使用。但鎧裝式熱電偶的引出線比較脆弱，一旦斷裂很難處理修復，因此取拿鎧裝熱電偶時要小心，防止引出線斷裂損壞。

裝配式與鎧裝式比較如圖所示：

護套管

溫度是物質能量表征的物理量。由于能量的轉移擴散性，不同測點的能量不同導致溫度也不同，為準確可靠的測量物質的溫度提高檢測的準確性，工程上普遍把測溫點盡可能的選在物料的中間位置。熱電偶在使用中需要深入被測設備管線內部，為保證生產的安全需對熱電偶安裝防護套管。

防護套管的安裝通常有兩種連接方式：螺紋安裝和法蘭安裝。

螺紋安裝通常應用在管線測溫中，這樣的優(yōu)點是管線施工方便，在小管線中可傾斜迎流方向安裝以提高測溫準確性，缺點是安全性較差，由于通過螺紋和墊片實現(xiàn)密封，不能用于高壓環(huán)境中。

螺紋連接與法蘭連接方式比較如圖：

法蘭安裝是通過兩法蘭間的連接來實現(xiàn)密封，通常用于塔器設備和高壓管線的安裝中，但由于法蘭的存在其緊固螺栓易銹蝕不利于拆卸安裝，且只能垂直于塔器設備管線方向安裝，無法實現(xiàn)迎流方向安裝不利于熱交換，測溫不如螺紋連接準確。

補償導線

補償導線是熱電偶測溫儀表特有的傳輸電纜。不同于普通的傳輸銅電纜只要保證傳輸?shù)男盘柌皇д婕纯?，補償導線的使用是為了延續(xù)熱電偶的溫差電勢而使用的一種補償線纜。由于熱電極的材質和制造成本高昂，使用成品的幾百米的熱電偶從現(xiàn)場延伸到控制室是不現(xiàn)實的，因此需要一種既能夠與現(xiàn)場熱電極性能一樣的溫差電勢的傳輸線又能降低成本的線纜——補償導線。補償導線的使用不僅僅是熱電極接觸電勢的傳遞也是熱電極溫差電勢的延續(xù)，所以其目的不同于傳統(tǒng)的銅線纜。為保證補償導線的溫差電勢與現(xiàn)場熱電極的溫差電勢一致，傳輸中要使用與熱電極同型號的補償導線，不能混用或錯用。

補償導線使用中的注意事項

一、補償導線不同于銅導線的原因不僅僅是材質不同，補償導線的目的除了傳遞熱電偶的熱電勢外還要補償傳輸中的溫差電勢。補償導線本身分為正負兩極，在現(xiàn)場與熱電偶接線、控制室與二次表或控制系統(tǒng)接線時一定到對應正確，而不能如同銅線纜一樣隨便接入。

二、補償導線傳輸中盡可能的不要有接頭，不可避免時要盡可能的做好接頭處的連接牢固。因為補償導線實質上是一個廉價的熱電偶，如果補償導線中間有接頭就會產生接觸電勢，如果接觸點的接觸電阻較大，這個接觸電勢就會變大，使補償導線引入附加的接觸電勢。如果接觸點接觸不良，那么這個接觸電勢會出現(xiàn)大幅度的跳變，造成測溫失真。同理補償導線與熱電偶接線端子處的接線也要確保連接良好，防止接觸電勢的引入。

現(xiàn)場補償導線與熱電偶接線端子實物如圖所示：

熱電偶使用中常見故障及處理

熱電偶是一個測溫系統(tǒng)，信號傳輸過程由熱電極、接線端、補償導線、二次處理四部分構成，任何一部分出問題都會造成溫度測量不準。實際使用中出現(xiàn)故障的現(xiàn)象大體可以分為以下幾種：顯示數(shù)值偏大、數(shù)值偏小、數(shù)值跳變、數(shù)值滿程。

熱電極本身原因造成的故障

熱電極是一個金屬導體，在使用中長期受高溫的熏烤及周圍環(huán)境氣體（腐蝕、水汽）的影響本身會老化變質，導致熱電極的熱電勢與溫度對應關系發(fā)生變化，造成溫度—毫伏電壓對照表的偏離，從而產生測溫誤差。

熱電極插入深度不夠。這個故障通常發(fā)生在新建裝置或裝置大修開車過程，熱電偶安裝中護套管的長度不夠，致使進入管線設備的距離沒有達到介質的中心，導致熱電偶的測溫熱端沒有達到溫度最高點，從而造成所測溫度偏低。如果熱電偶的插入深度距離管線設備外壁太近，那么其測溫的誤差更大，甚至完全失去測溫意義。

現(xiàn)場安裝的熱電極及護套管不夠長如圖所示：

如果保護套管夠長而熱電極不夠長則能處理，可找一個足夠長的熱電極插入。若護套管本身不夠長則無法處理，只能等裝置停車后才能進行更換，因此護套管安裝長度非常重要，決定著熱電偶測溫能否準確，但很多時候熱電偶的問題恰恰出在這個現(xiàn)場護套管的安裝上。

接線端

由熱電偶的測溫原理我們可知，熱電勢的構成包括接觸電勢和溫差電勢兩部分。如果熱電偶現(xiàn)場接線端與補償導線，補償導線與控制室二次處理表的接線接觸不良，那么在熱電偶信號傳輸過程中就會產生附加的接觸電勢，引起測溫誤差，如果接線接觸不良，還會出現(xiàn)測溫大幅度跳變的現(xiàn)象。

隨著時間的延長，現(xiàn)場熱電偶接線端子與補償導線處會因老化等原因造成接觸電勢變大，出現(xiàn)被測溫度出現(xiàn)失真甚至跳變的現(xiàn)象，此時到現(xiàn)場重新接一下補償導線故障就會排除，這也是很多現(xiàn)場儀表工疑惑不解的原因，為什么重新接一下線故障就消除了。

如果補償導線中間有接頭，那么這種接觸電勢對測溫的影響也會出現(xiàn)，因此補償導線使用中最好不要有接頭，實在無法避免，除做好接頭的接線處理外還要把接頭處的位置做好明顯標記，一旦出現(xiàn)測溫故障可快速找到補償導線接頭位置進行查看處理，不然補償導線引起的故障很難查找排除。

補償導線

補償導線是一個開口的與現(xiàn)場熱電偶同型號的廉價熱電偶，其性能基本與標準的熱電偶一致。現(xiàn)場使用的補償導線型號一定要與安裝的熱電偶相一致，這個從補償導線線纜外皮上就可找到具體的型號，通過補償導線內部的護套絕緣皮的顏色也可分辨。如果補償導線使用型號不正確，就會引入測溫誤差，如現(xiàn)場K型熱電偶接如E型補償導線，那么控制室顯示的溫度會偏高，同理現(xiàn)場E型熱電偶接入K型補償導線，其顯示溫度會偏低。

補償導線是廉價熱電偶因此其本身有正負之分，現(xiàn)場與熱電偶接線、與控制室二次表接線時一定要對應正確。如果補償導線一端與熱電偶或二次表極性接反，其傳輸?shù)蕉伪淼臒犭妱菔秦撝?，處理后顯示溫度是負值或最低（組態(tài)中的最小值)。如果補償導線現(xiàn)場與控制兩端極性同時接反，那么其相當于在現(xiàn)場熱電偶毫伏信號的線路中串入一個負的溫差電勢，那么其進入二次表的毫伏電勢變小，顯示的溫度就會偏小。

二次處理

二次處理儀表是把引入的毫伏電壓信號與溫度進行對照，并進行熱電偶的冷端溫度補償。如果二次表組態(tài)中所選熱電偶型號與現(xiàn)場不一致，那么其換算測得的溫度就會出現(xiàn)偏差。如果二次表本身的測溫熱敏電阻所測環(huán)境溫度不準確，那么換算出的現(xiàn)場溫度也會出現(xiàn)偏差。此外如果二次表是一個輸出電流的溫度變送器，那么其輸出的電流信號的溫度范圍要與控制室內顯示組態(tài)相一致。

熱電偶大修時的檢修

熱電偶的大修通常分為熱電極本身精度的校準和護套管磨損檢查。熱電極的校準檢查很重要但不是必須在大修時才能進行的工作，因為裝置正常運行時若熱電極本身出現(xiàn)故障可從現(xiàn)場拆卸下來進行故障排除和校準檢驗。

熱電偶護套管的檢查是大修時的重點工作，但實際使用中很多企業(yè)卻忽略了。熱電偶護套管在日常使用中插入到設備和管線中，長期經受介質的沖刷、腐蝕，其外壁會逐漸被磨損使壁厚變薄，甚至出現(xiàn)穿孔、斷裂等極端狀況。一旦熱電偶的護套管在運行中出現(xiàn)事故輕則引起設備停車，嚴重時會引發(fā)火災事故，所以熱電偶護套管腐蝕程度的檢查是大修的重點工作。

護套管的檢查通常有兩種方法，人工肉眼檢查法和打壓試密法。打壓試密法通常用于高壓裝置如高壓加氫裝置中，其熱電偶護套管的密封性能通過肉眼無法準確判斷，需要拆卸下來使用專業(yè)的密封測試設備進行打壓測試。

設備大修時拆卸熱電偶護套管進行腐蝕磨損性檢查如下圖：

如果生產設備不在高壓環(huán)境下運行，熱電偶護套管的磨損檢測通常用肉眼觀察法來確認，這樣的方法快速方便，但容易造成浪費?，F(xiàn)場拆卸熱電偶護套管后用抹布把護套管外表的臟污除掉后，觀察護套管外壁有無明顯的磨損、腐蝕、麻孔等磨損腐蝕痕跡，如果不明顯則更換密封墊片后復原，如果察覺護套管腐蝕嚴重則要更換新的護套管。通常為了保證安全，現(xiàn)場檢查熱電偶護套管時只要有明顯的腐蝕痕跡就更換新的護套管，以確保裝置運行的安全性，但同時也造成了一定的熱電偶護套管的浪費。

總結

熱電偶溫度計是工業(yè)中應用最為廣泛的溫度檢測儀表，雖形式各樣但測量原理相同。作為工控人員一定要熟知熱電偶的測溫原理，才能面對故障問題時處理自如。