热电偶在宝钢“2030 新增冷轧连退工程”中安装实例

牛向荣

（中冶天工上海十三冶建设有限公司 中国 上海 201999）

0 引言

热电偶作为工业测温中最广泛使用的温度传感器之一，由于其无法替代的优点成为工厂里常用的温度测量仪表。 与铂热电阻一起，约占整个温度传感器总量的60%，热电偶通常和显示仪表等配套使用， 直接测量工厂生产过程中-40～1800℃范围内的液体、蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。

热电偶因其结构简单，往往被误认为“热电偶两根线，接上就完事”，其实并非如此。 热电偶的结构虽然简单，但在使用中仍然会出现各种问题。 例如：安装或使用方法不当，将会引起较大的测量误差，甚至检定合格的热电偶也会因操作不当，在使用时不合格，在渗碳等还原性气氛中，如果不注意，K型热电偶也会因选择性氧化而超差。

为了提高测量精度，减少测量误差，延长热电偶使用寿命，要求使用者不仅应具备仪表方面的操作技能，而且还应具有物理、化学及材料等多方面知识。本文根据宝钢“2030 新增冷轧连退工程”炉内热电偶安装的实践经验，主要针对连退工程炉区热电偶安装基本注意事项进行了阐述，为以后类似的安装提供参考。

1 热电偶概念及工作原理

1.1 热电偶概念

热电偶是一种感温元件，属于一次仪表，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表（二次仪表）转换成被测介质的温度。 工业测温用的热电偶，其基本构造包括热电偶丝材、绝缘管、保护管和接线盒等。 两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端。

1.2 热电偶工作原理

热电偶有B、S、K、T、E 等多种分度号，在实际应用中，首先必须选用与热电偶相配套的补偿导线将热电偶冷端延伸到控制室，然后再与变送、显示、记录、调节仪表或数据采集卡等设备相连，系统原理框图如图所示。

热电偶测温的基本原理是工作端与自由端组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在热电动势，测得热电动势后，即可知道被测介质的温度。

2 热电偶正确安装的意义

宝钢“2030 新增冷轧连退工程”中，为了保证工艺所需的退火周期，更好的清除带钢应力，在整个退火机组中退火炉中各种检测和控制仪表的工艺参数尤为重要， 主要包括：退火炉炉内温度监视，温度调节控制输出上下限幅，各段炉温控制自动启动/停止等。 加热炉段设置了108 套热电偶，均热炉段中设置有12 套热电偶。 该工程选用的是法国进口的热电偶。 在炉内每一列辐射管中有两根辐射管配备热电偶，用于控制及安全预警。 两根热电偶的温度监测数据中较高的参与闭环控制，当其中一根损坏时，将发生报警，同时可以利用另一根继续生产。 热电偶安装的形式是金属软管型，螺丝固定于相应的辐射管上。

正确安装热电偶不但可以准确测量到温度的数值，保证产品合格，而且还可节省热电偶的材料消耗，既节省资金又能保证产品质量。 如果热电偶安装不正确，热导率和时间滞后等问题出现，给测量过程带来了主要误差，不能反映炉膛的真实温度。

Stein-heurtey 炉区控制系统采用了西门子PS7 的控制系统，带钢规格、温度和机组速度控制炉内温度直接参与生产控制计算机系统的控制，很显然带钢温度测量直接影响着该系统工业自动化仪表检测与控制系统的工作，是整个生产控制过程的重中之重。

3 热电偶安装原则

热电偶安装位置的选择是特别重要的，从生产工艺角度出发，测温点一定要具有典型性和代表性，必须能准确反映该工艺参数真值的大小，否则将失去测量与控制的意义。

热电偶安装通常应把握以下这几点原则：

3.1 热电偶应安装在温度较均匀且能代表待测工作温度的地方，尽可能靠近所要测的温度控制点。

3.2 热电偶的安装应尽可能避开强电场和强磁场，应远离仪表电源及动力电缆或采取相应的屏蔽措施，以防止由于外来因素干扰而造成测量误差。

3.3 热电偶热端与被测介质应充分接触，不能装在被测介质很少流动的区域内（对流动介质而言）。

3.4 热电偶冷端尽量避免温度过高（一般不应超过100℃）。在高温下使用的热电偶，炉内温度测量的介质为气态，保护管表面沉积的灰尘等将容易烧熔在表面上，使保护管的热阻抗增大。

3.5 热电偶不应装在太靠近炉门或者加热的位置，插入的深度至少应为保护管直径的8～10 倍； 热电偶的保护套管与炉壁间的间隔未填绝热物质致使炉内热溢出或冷空气侵入，因此热电偶保护管和炉膛壁孔之间的空隙应用耐火泥或石棉绳等绝热物质堵塞以免冷热空气对流而影响测温的准确性；热电偶冷端太靠近炉体使温度超过100℃。

4 热电偶安装注意事项

4.1 电极绝缘问题

除热端接点外，电极的其它部分应严格绝缘，如果绝缘不好或短路，将会引起测量误差甚至不能测量。 安装和使用时，应检查热电偶两电极间的绝缘材料（如普通型的陶瓷管）是否完好。

4.2 与补偿导线的连接

热电偶与补偿导线的连接应注意以下几点：

1）补偿导线型号与热电偶的分度号必须对应，绝不能用错。

2）补偿导线与热电偶的两连接点的温度应相同，且不得超过规定的使用温度（普通型小于100℃，耐热型小于200℃）。

3）补偿导线和热电偶都有正负极之分（可根据电极硬度、电极颜色或绝缘层颜色来区分），连接时极性不能接反，否则将产生反补，使测量误差大大增加。

4.3 热阻抗的影响

热电偶因保护套管外表面附着灰分和氧化物产生的热阻抗不仅会增加热电偶的响应时间，使其反应滞后，同时还会使示值偏低，必须重点考虑，尤其是水平安装的热电偶。 在使用过程中，应根据环境状况定期检查并清理，以保持热电偶保护管外部的清洁。

4.4 热电特性变化的影响

热电偶经长期使用后，热电极会出现被腐蚀、氧化或晶格不均匀等现象，这将导致其热电特性发生变化，如变化显著，则会严重影响其示值准确性。 解决这一问题的主要办法就是保护好热电偶接线盒，使接线盒的出线口和盖子都由橡胶垫片进行密封，防止丢失和损坏，这将会有效减缓热电特性发生变化的速度。

5 测量误差的分析与调整

5.1 绝缘变差而引入的误差

如热电偶绝缘了，保护管和拉线板污垢等过多致使热电偶极间与炉壁间绝缘不良，在高温下更为严重，这不仅会引起热电势的损耗而且还会引入干扰，由此引起的误差有时可达上百度。

5.2 热惰性引入的误差

由于热电偶的热惰性使仪表的指示值落后于被测温度的变化，在进行快速测量时这种影响尤为突出。 由于存在测量滞后，用热电偶检测出的温度波动的振幅较炉温波动的振幅小。 测量滞后越大，热电偶波动的振幅就越小，与实际炉温的差别也就越大。

5.3 热阻误差

高温时，如保护管上有一层煤灰，尘埃附在上面，则热阻增加，阻碍热的传导，这时温度示值比被测温度的真值低。 因此，应保持热电偶保护管外部的清洁，以减小误差。

6 结语

本文以连退工程炉区热电偶的安装为例，主要阐述了热电偶安装的基本注意事项，严格按照产品说明书及安装原则正确地安装热电偶，确保生产过程中的温度测量精度及使用寿命。 在以后的工程中把积累的经验应用到实际安装中，同时再进一步积累总结，使所安装的设备测量精度更准确地参与工业自动化仪表检测与控制， 从而更好地满足生产的要求。S

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