E型熱電偶動態特性實驗研究與分析

高愛民 薛銳

摘要：以E型熱電偶為研究對象，采用泓格I-7018溫度采集模塊、德國SiKA TP17650M檢驗儀設計了動態實驗系統，通過Visial Basic和DCON Utility軟件實現了實驗數據的自動采集，完成了E型熱電偶的動態特性實驗，并使用MATLAB對實驗數據進行了可視化研究，得出了該類型熱電偶在不同偶絲直徑、不同插入深度以及不同被測溫度下的數學模型，為該類型熱電偶在火電廠安裝、檢修時提供必要的理論基礎與實踐指導。

關鍵詞：E型熱電偶；動態特性，數學建模

中圖分類號：TP212.11文獻標識碼：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.012

1引言部分

在火力發電廠中，雖然各類型溫度傳感器都有相應的安裝規范與技術要求，但在施工過程中，由于施工人員的不能嚴格按照要求進行安裝調試，經常會出現溫度傳感器損壞、測量回路異常、溫度信號的閾值設置不合理等現象的發生，而這些故障或者事故的發生，往往會造成溫度信號突變引起保護對象的誤跳閘，進而引起保護誤動作或拒動，造成機組的非計劃減出力或停運，給電力系統帶來巨大損失。

由于上述問題的嚴重性，國內外不少技術人員和專家都對該類問題進行過相關的研究與分析，做過諸如對溫度傳感器進行靜態特性測試[1-2]的研究與分析、校驗設計與測量數據處理[3-4]的討論、同時也有對熱電偶的動態特性[5-6]進行實驗設計與研究、還有對該類問題進行過數學建模分析[7]。本文以E型熱電偶為例，設計一套完整的動態實驗系統，得出E型熱電偶測溫時，相對誤差（精度）與插入深度、時間常數以及偶絲直徑之間的關系，并且建立了對應的數學模型，為該類型熱電偶在火電廠安裝、檢修、維護時提供必要的理論依據與實踐指導。該實驗系統包括校驗儀（作為標準熱源）、E型熱電偶、熱電偶信號采集模塊、轉換模塊、電源和工控機，工控機通過RS232串口與轉換模塊I-7520、采集模塊I7018、校驗儀相連，由于熱電偶的使用溫度受材料規格和直徑的影響，因此，K型熱電偶的長度為15 cm，直徑為2～5 mm，電源為DR7524開關電源，范圍為10 V～30 V，電源供應器的額定功率大于整個系統的消耗功率的總和。

2.3實驗步驟

1）開啟電源，啟動干式爐升溫；運行應用程序，設定被測溫度和采集時間，選擇接收端口和采集周期； 當干式爐升溫至設定溫度并穩定時，將熱電偶快速（形成類似于階躍信號的輸入）插入干式爐中，同時點擊工控機界面上的“開始采集”按鈕，實驗開始；

2）在實驗過程中，保持熱電偶固定，直到響應曲線平穩，點擊工控機界面上的“停止采集”按鈕，將熱電偶取出，點擊工控機界面上的“保存數據”按鈕，保存實驗數據和圖像；

3）當熱電偶冷卻至室溫后，分別改變熱電偶插入干式爐中的深度、干式爐的設定溫度和熱電偶的直徑，重復步驟1）和步驟2），獲得熱電偶的插入深度、溫度和直徑的階躍響應曲線，建立在不同熱電偶直徑條件下，相對誤差與插入深度和溫度之間的數學關系式、時間常數與插入深度和溫度之間的數學關系式；從而很直觀的看出熱電偶插入深度、直徑對熱電偶測溫性能的影響，對火力發電廠中不同的測溫部位選擇合理的熱電偶溫度傳感器，以實現溫度滯后的最小化有著一定的指導性作用。

2.4動態特性響應曲線

根據上述實驗步驟，分別做了直徑Ф=2 mm、Ф=3 mm、Ф=4mm、Ф=5 mm，溫度點從室溫分別到100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃時，插入深度與所測溫度之間的階躍響應曲線。

下面取一組實驗數據，當溫度為300 ℃時，熱電偶的偶絲直徑、插入深度與被測溫度之間的階躍響應曲線，如圖2（a-d）所示。

從上述四組圖像中可以看出：

1）階躍響應曲線趨勢一致；

2）熱電偶的偶絲直徑為過小時（Ф=2 mm），熱電偶的階躍曲線容易出現波動，誤差比較大；

3）當Ф=4 mm、5 mm時，插入深度為2 cm已經不符合其安裝規范，其響應曲線異于正常曲線，所測數據為錯誤數據；

4）時間常數隨著溫度階躍變化量的增大，先呈現上升趨勢，而后下降。

本次實驗工作，完成了偶絲直徑Ф=2 mm、Ф=3 mm、Ф=4 mm、Ф=5 mm，溫度點從100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃的階躍實驗，所有這些實驗數據趨勢一致，與上面圖例類似，由于篇幅所限，本文只選擇其中一組進行分析與說明。

將上述數據帶入上述相應數學表達式，計算E型待測熱電偶的精度，符合其精度要求，說明上述數學模型可以方便快捷地驗證所選熱電偶精度、粗細、安裝等是否合理，為電力生產過程中的E型熱電偶的選型、安裝提供了一定的理論與實驗依據。

5結論

綜上，本文以E型熱電偶為研究對象，對直徑為Ф=2 mm、Ф=3 mm、Ф=4 mm、Ф=5 mm的熱電偶通過階躍響應實驗完成了數學模型的可視化研究，并驗證了該數學模型的準確性，得出以下四點結論：

1）插入深度對測量誤差的影響尤為明顯，對于本文所用E型熱電偶，其插入深度要求為直徑的15～20倍，而文中熱電偶插入深度為2 cm時，不符合安裝規范，其相對誤差也較大。

2）插入深度與相對誤差并不成線性關系，而是相對誤差隨著插入深度先減小，后增大。

3）在允許測量范圍內，熱電偶測量的相對誤差隨著被測溫度的升高而降低。

4）熱電偶直徑越小，顯示溫度越容易出現波動，越容易產生誤差，對于系統穩定是不利的。

5）熱電偶直徑越小，時間常數越??；該熱電偶的時間常數隨溫度階躍變化量的增大，先呈上升趨勢，而后又有所下降，隨后呈現較大幅回升，預測變化趨勢為隨溫度階躍變化量逐漸升高。

參考文獻

[1]趙兵，楊基峰.基于LabVIEW的傳感器靜態特性標定系統[J].儀表技術與傳感器，2011，（6）：20-22.

[2]楊宇，郝曉劍，周漢昌.熱電偶動態校準及動態補償技術研究[J].光電技術應用，2013，28（6）：77-80.

[3]崔巍.溫度測量系統現場檢定方法的研究[J].同煤科技，2013（4）：32-34.

[4]WINKLER R，WOOLLIAMS E R，HARTREE W S，et al.Calibration of an Absolute Radiation Thermometer for Accurate Determination of FixedPoint Temperatures[J].Int J Thermophys，2007，28：2087-2097.

[5]劉宗瑞，成婉婷，劉志遠.熱電偶動態響應測試系統[J].傳感器與微系統.2014，33，6：82-85

[6]ANTHONY B，DICKINSON S，BEYOND B.“fire temperatures”：calibrating thermocouple probes and modeling their response to surface fires in hardwood fuels[J].Canadian Journal of Forest Research，2008，38（5）：1008-1020

[7]徐宏宇，朱永麗.基于PID神經網絡的熱電偶數學模型研究[J].電子設計工程.2011，19（22）：45-47

[8]滕士雷，孔喜梅.基于階躍溫度響應的熱電偶時間常數測試系統[J].中國測試，2011，37（1）：24-27.

[9]閏潔.調制激光器激勵法的熱電偶時間常數測試[J].儀表技術，2010（11）： 8-11.第36卷第1期2017年3月計算技術與自動化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7第36卷第1期2017年3月計算技術與自動化Computing Technology and AutomationVol36，No1Mar. 2 0 1 7