電工電子技術在電廠測溫領域中的應用

1、電工電子技術在電廠測溫領域中的應用摘要：在熱電廠這類企業(yè)中，溫度對循環(huán)的效率及生產(chǎn)安全有很大的影響，因此整個生產(chǎn)過程要隨時對溫度 進行測量,以達到，對機爐的檢測、調整、控制的目的 保證系統(tǒng)的連續(xù)安全運行。本文介紹了溫度測量的 相關知識，介紹了 “接觸式”和“非接觸式”兩大類方法，并分別舉例說明了介紹了其在在熱電廠中的應用 情況。1關于溫度及測量的基本概念溫度是表征物體冷熱程度的物理量，是一個很重要的物理參數(shù)。在自然界中，任何物理、化學過程都 緊密地與溫度相聯(lián)系，物質的許多物理現(xiàn)象和化學性質也都與溫度有關。因此工業(yè)生產(chǎn)和科學實驗都經(jīng)常 需要測量溫度參數(shù)。在熱電廠這類企業(yè)中，溫度作為一個最基本的狀

2、態(tài)參數(shù)，直接影響到動力循環(huán)的進程， 影響到熱電廠的效率及安全性，因此整個生產(chǎn)過程要隨時對溫度進行測量，以達到對機爐的檢測、調整、 控制的目的，保證系統(tǒng)的連續(xù)安全運行。而熱電廠中有眾多熱力學過程，涉及到水蒸汽、氣體、乏汽、煙 塵等各種物質，鍋爐、汽輪機、回熱器等系統(tǒng)以及蒸汽動力循環(huán)、回熱循環(huán)、再熱循環(huán)等各種循環(huán)，每一 過程都受到溫度的影響，對溫度的測量比較復雜。溫度測量在國民經(jīng)濟、國防建設、科學研究及日常生活中隨處可見，其作用也是不言而喻。例如在熱 電廠的生產(chǎn)過程中，鍋爐內(nèi)的溫度監(jiān)控不當可能引起停產(chǎn)甚至爆炸事故，如何選擇測量方式正確測量溫度 至關重要。我們常常把溫度測量分成高、中、低三種溫度范圍

3、。一般稱0C以下為低溫，0630 C為中溫，630 C 以上稱高溫超過4000 C以上常稱超高溫，進人等離子體測溫范疇。在生活及工業(yè)實踐中人們發(fā)現(xiàn)，很多 物質的物理特性都與溫度有關,如物體的體積、尺寸變化、密度、硬度、彈性模量、導電率、導熱率、熱 電勢、光電輻射強度等都是隨著溫度的改變而按某種規(guī)律變化。利用這些物質的相關特性作為測量溫度的 依據(jù),可做成“溫度計”。溫度計按其工作方式可分為接觸式、非接觸式2類，這2類測溫裝置在熱電廠均 有廣泛的應用。2基本測量原理及方法2.1兩種測溫方法比較溫度計按其工作方式可分為接觸式、非接觸式2類，這2類測溫裝置在熱電廠均有廣泛的應用。所謂 直接測溫法就是將

4、測溫敏感元件與被測物體直接接觸的方法，當敏感元件與被測對象達到熱平衡時由溫 度的定義可知，此時敏感元件的溫度就指示了被測物體的溫度。熱電偶電阻溫度計等都是典型的直接測 溫的儀器。這種方法比較直觀、測量準確，方法簡便，但也有不少缺點，如高溫高壓或強腐蝕性環(huán)境對測 溫儀器的損壞較大，影響使用壽命。同時接觸式儀表需要將傳感器預埋到被測元件中，可有些情況下不方 便實現(xiàn)甚至無法實現(xiàn)，即使實現(xiàn)也可能影響到被測溫場的分布，此時就需要使用非接觸式測溫儀器來對物 體的溫度進行測量。非接觸式測溫儀器不需要與被測系統(tǒng)直接接觸，而是將利用與溫度有關的輻射、波等物理量，并將之 轉換成電信號分析處理。由于不需要與被測物接

5、觸，在測量中不會由于引入測量元件而影響到被測溫場的 分布；測量元件也不需要達到與被測介質相同的溫度因此可以有較高的測溫上限；最后，因為它是利用光 輻射特性，所以可以實現(xiàn)快速測量。不難發(fā)現(xiàn)，非接觸式測量相比傳統(tǒng)的接觸時測量有眾多優(yōu)點，因此有 逐漸替代傳統(tǒng)測溫方式的趨勢。最常用的非接觸式測量是利用物質的熱輻射特性進行測量。例如電廠要 監(jiān)控主變接頭和各種開關的溫度，但由于這類設備電壓較高且采樣點不易獲得，因此用非接觸式的紅外測 溫就方便很多，準確性也比較高，又如,電纜溝是電廠的重要場所，也是容易發(fā)生火險的地方，若在電纜溝裝 設光電傳感器對溝內(nèi)的煙塵、溫度進行實時監(jiān)控，就可及時發(fā)現(xiàn)火情,以減少損失。2

6、.2接觸式測溫原理B圖I溫差電現(xiàn)象B圖I溫差電現(xiàn)象熱電偶也簡稱為熱偶，是由兩種不同的金屬絲組成閉 合回路，由于兩接點處溫度不同而產(chǎn)生電勢差，用此電 勢差的大小來衡盤溫度的高低。金屬中都含有不斷快速 運動且受到電場力約束的自由電子，當電子的動能大于 金屬的逸出功時電子才可能掙脫出來形成電流。相連的 不同金屬其電子逸出功不同，自由電子密度也不相同， 因此產(chǎn)生接觸電位差，閉合回路的兩金屬絲如圖1所示。 熱電偶有以下基本定律：（1）只有不同的導體材料組成 熱電偶且兩端點間的溫度不同時，才能產(chǎn)生熱電勢。（2） 同種材料組成熱電偶，即使兩接點的溫度不同，回路總熱電勢也等于零。（3）當在熱電偶中插入第3種材

7、料, 只要插入材料兩端溫度相同，就對熱電偶的總熱電勢沒有影響。這一定律有明顯的實際意義因為利用熱電 偶來測量溫度時，需要在熱電偶回路中接入電氣測量儀表，也即接入第3種材料。推導出的電壓公式如下：E - Uab（7） + %（TD 一 Uab（7）-Uab（TD處*由上式可知，當熱電偶的兩種材料確定時，電壓只與冷熱兩端溫度有關，當冷接點溫度固定時，則熱電勢2是熱接點溫度二的單值函數(shù)，測出E出便可測出熱端溫度。目前常用鉑銠熱電偶進行溫度的測量。2.2.2熱電阻導體的電阻率隨溫度的變化而變化，從而電阻值也隨溫度而變化，對于很多物質而言，具有 相當穩(wěn)定的關系,一般大多數(shù)金屬在溫度變化范圍不大時，電阻與

8、溫度的關系可表示為Rt = R0 1 + a （ t - t0）式中Rt和R0表示溫度為t和t0時的電阻值為材料的電阻溫度系數(shù)。試驗表明，大多數(shù)金屬當溫度升高1 C時，電阻要增加014 %016 %。所以測出電阻值及初始溫度，便可測出溫度。熱電阻分為金屬熱電阻（又稱熱電阻）和半導體熱電阻（又稱熱敏電阻）。常見的熱電阻有鉑、銅熱電阻， 如發(fā)電機在鐵芯出風段位置的齒部、軛部和在指定槽內(nèi)的上、下層線棒之間裝有PT100型電阻測溫元件（- 200 C650 C）,用于監(jiān)測鐵芯溫度和三相繞組的溫度。常見的熱敏電阻是由一些金屬氧化物（如鉆、錳、 鎳等氧化物）采用不同比例的配方，經(jīng)高溫燒結而成，它主要由熱敏

9、元件、引線和殼體組成。熱敏電阻精度 高、成本低，幾乎無老化現(xiàn)象，而且響應速度快，熱時間常數(shù)僅為0.110.12S，但其使用溫度受到了一定 的限制。2.3非接觸式測溫原理由于接觸式測溫法不能實現(xiàn)溫度的實時全面的監(jiān)測，高溫、高壓和有害介質條件也會損壞測量儀器使 溫度的監(jiān)測難以持續(xù)進行。而采用非接觸式測溫，只需把溫度計的光學接受系統(tǒng)對準被測物體，不必與之 進行熱接觸，故不會對待測物體造成任何干擾，從而可實現(xiàn)溫度（測溫上限大大提高）的無損實時監(jiān)測。 對該溫度計的光學進行適當設計，還能實現(xiàn)三維空間的溫度分布測量。因此，將非接觸式測溫技術應用于 高爐的溫度在線實時監(jiān)測，具有重要的意義。常見的非接觸式測溫方

10、法有輻射測溫法、原子譜線線寬測溫法等，電工電子技術在非接觸式測溫方法 中主要是用在信號轉換中。非接觸式測溫方法檢測到的一般是非電量信號，其傳遞存在很大的局限性，要 實現(xiàn)控制更是難上加難，所以通常是將這些非電量信號轉換成電信號進行間接傳遞和控制。實際測量到的 信號來源于測試物理量的測量儀器及傳感器，接收的信號往往很小而且易受干擾，在加工信號前要進行預 處理，根據(jù)實際情況利用隔離、濾波、阻抗匹配、補償?shù)燃夹g手段，將信號分離出來并放大。當信號足夠 大時再進行信號的運算、轉換、比較和保存等不同的加工。按功能劃分，模擬電子系統(tǒng)主由以下幾種模擬電路組合而成:（1）放大電路：用于信號的電壓、電流和功率的放大

11、。（2）濾波電路：用于信號的提取和變換。（3）運算電路：用于信號的加、減、乘、除、微分、積分、對數(shù)和指數(shù)運算。（4）轉換電路：用于電壓信號與電流信號之間、交流信號與直流信號之間或電壓信號與頻率信號之間的轉換等。（5）信號發(fā)生器：用于產(chǎn)生正弦、矩形、三角形等波形。（6）直流電源：將220V市電轉換成不同輸出電壓和電流的直流電，作為各種電子電路本身的供電電源。我們課堂上所學習的二極管、三極管放、運算放大器、場效應管放大電路、差分放大電路、正弦信號 發(fā)生器、整流電路、濾波電路等原理合方法都在模擬電子系統(tǒng)中得到了充分的應用。但由于這類電子系統(tǒng) 設計靈活種類繁多加之所學知識有限，就不展開討論了。3 .溫

12、度測量實例3.1鍋爐高溫受熱面爐內(nèi)壁溫測量方法觸式測溫在大容量電廠鍋爐設計中，屏式過熱器、高溫對流過熱器和高、低溫再熱器的爐外單管管壁上沿煙 道寬度方向都裝有一定數(shù)量的壁溫測點，以便在鍋爐運行過程中監(jiān)控 受熱面金屬的工作可靠性。但實際上這些壁溫測點測得的是過熱器、 再熱器單管管圈的爐外蒸汽溫度，而爐內(nèi)管處于受熱狀態(tài)，溫度水平 遠高于爐外蒸汽溫度。鍋爐內(nèi)壁有一定的受熱限度，長期處于高溫高 壓狀態(tài)有可能引起超溫爆管等事故，所以有必要直接測量受熱面爐內(nèi) 壁溫爐內(nèi)壁溫。實際中采用如圖布置方案分析爐內(nèi)壁溫測點的工作條 件，其爐內(nèi)換熱條件可簡化示如圖，在熱平衡條件下測量值與實際值可表示為;式中k為熱電偶與

13、管壁間的傳熱系數(shù),F為熱接點與管壁的接觸面積,Qi 為煙氣向熱接點的傳熱，Q2為沿熱電偶軸線向熱接點的傳熱。經(jīng)過誤差 分析這種測量方法測量值比實測值高79C，與爐內(nèi)高溫相比誤差很 小。采用這種工藝實現(xiàn)了對高溫受熱面下部的爐內(nèi)壁溫的測量，而且 擴大了爐內(nèi)壁溫的測量范圍，測點壽命和測量精度能滿足一般高溫受 熱面工業(yè)及科研的需求?？杀硎緸?3.2燃煤鍋爐火焰溫度測量一非接觸式測溫鍋爐內(nèi)火焰溫度較高，而且含有較多灰粒、焦炭等固體顆粒，顯然無法通過放置接觸式測量工具測溫。 同時煤粉火焰屬于不透明發(fā)光火焰且成分復雜，也不滿足一般的非接觸式測量方法的要求。目前國內(nèi)外市 場中已有的單波段光學高溫計，但測量時需

14、要預先輸入被測表面的灰度值，且不能消除測量中其他因素的 影響，因此測量誤差較高。而能夠消除灰度影響的雙波長光學高溫計，由于沒有考慮環(huán)境輻射的干擾及火 焰中固體顆粒的散射作用，精度不高。實際中根據(jù)普朗克定律建立了一種四波長測溫模型，把爐壁的輻射 干擾和固體顆粒的散射作用都加以考慮，并且不設置參考輻射源可實現(xiàn)快通準確+方便地測量出火焰溫度 的目的。如圖，光學探頭收集被測體確定靶點的輻射能量，將光信號傳輸?shù)椒止庀到y(tǒng)分光后在四個出口狹縫處由物理模型的推導及處理較為復雜且跟電工學關系不大，在此略去。這里利用了信號轉換系統(tǒng)，將可以測量 的光學量，通過光電轉換裝置及信號放大處理變成電學量，再用計算機進行物理

15、模型的處理，得到了溫度 值，這種方法是電工電子技術在非接觸式測量中應用的典型代表。3.3瞬態(tài)高溫測量系統(tǒng)一一“接觸-非接觸式”測溫冶金、石油化工、建材、武器研制等工程技術中常涉及到高溫、強浸蝕介質、強熱震性測量變化的高 溫數(shù)據(jù)很難通過傳統(tǒng)的熱響應速率較慢的熱電偶得到。盡管隨著科學技術的發(fā)展輻射測溫技術有了顯著 突破，但大部分傳感器測溫范圍低，響應速度慢，不能滿足瞬態(tài)溫度測量的要求，因此出現(xiàn)了復合式光纖 高溫測量系統(tǒng)。測量系統(tǒng)如圖所示，主要由黑體腔探頭、透鏡組、光纖準直器、傳輸光纖、光纖環(huán)行器、光纖光柵濾 波器、光電探測器、信號放大電路、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機構成。測量時將耐高溫的黑體腔直接接觸被測高溫源，黑體腔受熱發(fā)出的黑體輻射通過一個密閉空間傳遞到與高溫源直接接觸的光纖探頭光纖探頭由透鏡組和光纖準直器構成，可將輻射光耦合入 傳輸光纖；信號光經(jīng)傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳至光纖 環(huán)行器端口 1,由端口2輸出的光經(jīng)光纖光柵濾波器 后返回端口2,由端口3頭由透鏡組和光纖準直器構成，可將輻射光耦合入 傳輸光纖；信號光經(jīng)傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳至光纖 環(huán)行器端口 1,由端口2輸出的光經(jīng)光纖光柵濾波器 后返回端口2,由端口3輸出的信號光經(jīng)光電探測器 轉變?yōu)殡妷盒盘枺俳?jīng)信號放大和數(shù)據(jù)采集。此測量 系統(tǒng)具有響應時間短，穩(wěn)定性高，重復性好,抗電磁 干擾性能強等眾多優(yōu)點，能測量特殊環(huán)境下的瞬態(tài)