热电偶在生产应用中的故障分析

[摘要]热电偶也叫温差电偶,是最早出现的一种热电探测器件。热电偶是温度测量中应用最广泛的温度器件,它的主要特点就是测温范围宽,性能比较稳定,同时结构简单，动态响应好,更能够远传4- 20mA 电信号,便于自动控制和集中控制。本文中根据热电偶的工作原理，对应用实例中出现的故障现象进行分析处理。
引言
　　某氯丙稀厂在停车大修后,开车时,从反应器中出来的成品到氯化冷凝器冷凝,通过视镜,看到成品的颜色呈黑色,说明系统结碳严重;再通过提高氯气的进料量,而反应器中部温度不变,进一步说明系统结碳严重;并且无法生产出合格的成品,只能重新清理系统中的结碳。
　　该氯丙稀厂的丙稀预热温度采用热电偶测量。热电偶为K型,其补偿导线正极为镍铬,负极为镍硅。预热温度计安装在张力换热器的出口。张力换热器表面温度为98℃。预热温度一般控制在320℃。预热温度是十分重要的工艺参数,它的高低直接决定着系统结碳程度,也是判断系统能否正常工作的一个参数。下面就这一故障现象作出诊断及处理。
一、故障推断
　　上述应用实例中出现的问题主要是由预热温度过低导致的,分析温度过低的原因可能为:
①二次数显表显示不准;
②热电偶可能已损坏;
③补偿导线可能存在问题。
二、分析处理
　　对上述可能导致故障现象出现的原因做以下分析处理:
①检测二次数显表，能显示准确温度,从而排除由于数显表而导致温度过低的推测;
②用万用表检测热电偶,热电偶工作性能良好,从而排除由于热电偶而导致温度过低的推测;
③检查补偿导线,由于热电偶的接线盒所处环境温度太高，导致补偿导线的绝缘层被烧焦,因此在大修时更换了补偿导线。经过检测，更换后的补偿导线的正极为镍铬,负极为铜镍,由此便知更换的补偿导线与原先的补偿导线的型号存在差异。则可能是更换补偿导线导致预热温度过低,从而出现了上述故障现象，下面进行详细推理分析。
(一)热电偶的测温原理
　　热电偶测温基本原理是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来,构成-一个闭合回路,当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时,两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。如图1所示，由两种不同均质材料A.B组成的回路称为热电偶。A.B材料两端连接的接点分别用M 1.M 2表示，如果M 1M2的接点温度T1和T2不一-样, 在回路中就会产生电势,通常称为热电势。当A.B的材料一定时,热电势的大小取决于T1. T2之间的温度差,用公式表示为:
EAB(T1,T2)= eaB(T1)+ eaA(T2)= eAB(T1)- eAB(T2) (1)
　　式中: EAB(TI,T2)-材料为A.B的热电偶,接点温度TI, T2之间的温差电势。
eAB(T1)一A.B接点温度为T1时的电势。
eAB(T2)、asa(T2)-- A.B 接点温度为T2时的电势,这两项大小相等,符号相反。
 
　　为了统一热电偶材料并进行规范,国家有关标准规定了组成热电偶材料A.B的成分纯度,并且给出了A.B材料的组合形式，统一用一个字母命名型号,如K型s型等。为了使用方便,将各种型号的热电偶温度值与电势关系统一为相对于0C时的电势值,这里用T0表示，制成各种型号的热电偶分度表,便于查阅和计算。
　　这样相对于图1中的形式，公式(1)转化为:
EAB(T1,T2)= EAB(T1,T0)- EAB(T2,T0)         (2)
(二) 热电偶的连接导体定律和中间温度定律
 
　　首先来分析热电偶的连接导体定律和中间温度定律,如图2所示。实际应用中,测量和控制仪表与热电偶总是有一段距离。C、D也是两种均质材料,根据热电偶的中间导体定律,可以导出测量的总电势Ez的表达式为：
Ez= EAB(T1,T3)+ Ea(T3,T2) (3)
　　式(3)就是热电偶连接导体定律。如果连接的不是一段,总电势Ez同样为各个部分之和。在图2的测量中,希望测量端的总电势为热电偶EAB (T1, T2),便于控制仪表测量中不至于中间连接产生附加电势,表达式为:
EAB(T1,T2)= Ez= EAB(T1,T3)+ EAB(T3,T2)   (4)
　　式(4)中T3称为中间温度,所以也称为中间温度定律。这样
　　就要求找到某种材料C.D,它的特性为:
ECD(T3,T2)= EAB(T3,T2)   (5)
　　满足式(5)的材料称为热电偶的补偿导线。因为热电偶的种类较多,所以热电偶补偿导线的种类也较多。
(三)使用的补偿导线型号不对产生的误差
　　同种补偿导线配同种热电偶，如果所选的补偿导线种类不匹配, 一样产生误差。使用K型热电偶,选择了E型偶的补偿导线EX,如图3所示。
 
　　根据中间导体定律,仪表所接收的总热电势为:
E'z(T1,T2)= Ek(T1,T3)+ Ee(T3,T2)   (6)
　　如果正确使用K型热电偶补偿导线KC,不考虑补偿导线自身差,仪表测量的总电势为:
Ez(T1,T2)= Ek(T1,T3)+ Ex(T3,T2)   (7)
　　由于选错了补偿导线仪表测量值由此产生误差为(6)-(7),即
E'z- EZ= EEx(T3,T2)- EK(T3,T2)   (8)
　　K型热电偶工作温度为324C,控制间环境温度T2为22℃,热电偶冷断温度T3为98℃,分别查K偶和E偶分度表，得出电势差为:
Eex(T3, T2)- Ex(T3, T2)= (6.184- 1.313)- (4.013-0.879)= 1.737nv
　　仪表测量温度比实际温度高。仪表控制在324'C时,实际值只有280.9℃,误差43.1℃.
三结论
　　由上面分析得出如下结论:由于更换了与热电偶不匹配的补偿导线，导致显示温度比实际温度高431℃, 以致引起了应用实例中的故障现象。可见补偿导线与热电偶要匹配，否则在控制回路中会产生很大的误差。