尋熱式熱電偶又稱連續(xù)熱電偶，是一種線式的溫度傳感器。上世紀(jì)80年代，美國就開發(fā)了一種線式溫敏超溫報(bào)警傳感器。它運(yùn)用鎧裝工藝將多元系熱敏半導(dǎo)體材料和熱電材料完美地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)傳感器無固定熱接點(diǎn)功能。該傳感器具有其它傳感器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，是國內(nèi)外溫度測(cè)控領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展的新型溫度傳感器。昌暉儀表制造有限公司尋熱式熱電偶性能指標(biāo)達(dá)到甚至優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。
目前，尋熱式熱電偶主要用于對(duì)企業(yè)的一些大型裝備進(jìn)行表面溫度監(jiān)測(cè)及超溫報(bào)警。安全無小事，但是一旦發(fā)生事故，輕則造成設(shè)備的破壞，重則可能造成大量的人員傷亡，其后果往往不勘設(shè)想，蘭州石化練油廠的爆炸事故就是血的教訓(xùn)。表面溫度監(jiān)測(cè)及智能超溫報(bào)警系統(tǒng)的使用就會(huì)在事故出現(xiàn)的第一時(shí)間發(fā)出預(yù)警和報(bào)警信號(hào)，讓人們贏得充分時(shí)間來處理，以防止災(zāi)難性事故發(fā)生，確保人員及裝備安全。
一、尋熱式熱電偶
1、尋熱式熱電偶結(jié)構(gòu)
尋熱式熱電偶金屬保護(hù)管、熱電極和熱敏材料，經(jīng)鎧裝拉拔減徑工藝組裝制作而成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。最外層的鎧裝金屬保護(hù)管采用耐熱耐蝕合金，除了起到很好的保護(hù)作用外，還為電纜提供了足夠的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，極大地方便了安裝和使用。熱電極采用K型熱電偶材料。熱電極之間緊密填充的隔離材料是用專門工藝制成的具有負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)特性的熱敏材料，隨著溫度的升高，電阻急劇降低。此處的隔離材料并非始終起著絕緣作用，而是始終起到固定和隔開熱電極的作用。
圖1 尋熱式熱電偶結(jié)構(gòu)
2、尋熱式熱電偶工作原理
當(dāng)尋熱式熱電偶沿線某點(diǎn)(也可以是同溫度的多點(diǎn)或一段)的溫度T1超過沿線其余部分的溫度時(shí)，該點(diǎn)兩熱電極之間的熱敏材料的電阻就會(huì)降低，從而在T1點(diǎn)形成一個(gè)“臨時(shí)”測(cè)量端。此時(shí)兩熱電極之間產(chǎn)生一個(gè)和溫度T1相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)。
圖2 尋熱式熱電偶測(cè)量設(shè)備溫度
如果熱敏電纜上有第二點(diǎn)出現(xiàn)更高的溫度T2(T2＞T1)，則T2點(diǎn)熱電極間熱敏材料的電阻就會(huì)降得比T1點(diǎn)更低，從而在T2點(diǎn)產(chǎn)生了一個(gè)新的“臨時(shí)”測(cè)量端(圖3)，舊的“臨時(shí)”測(cè)量端被取代，同時(shí)熱電極之間就輸出一個(gè)和溫度T2相對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)?？傊瑢崾綗犭娕驾敵鰺犭妱?shì)總是和其沿線上存在的最高溫度相對(duì)應(yīng)。
圖3 尋熱式熱電偶測(cè)量最高溫度
二、尋熱式熱電偶的特性
傳統(tǒng)的線式溫度傳感器由于其性能較差，使得在某些領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的局限性。如鎧裝式電阻型線式溫度傳感器誤差較大、鎧裝式熔鹽型線式溫度傳感器只能在固定溫度性能才發(fā)生突變、組裝式電阻型線式溫度傳感器抗振性能較差。而尋熱式熱電偶的應(yīng)用要求特殊，其的制作材料也特殊，并采用了鎧裝工藝，從而獲得了優(yōu)良的特性。
①尋熱式熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)-溫度特性(E-t特性)
尋熱式熱電偶與同型號(hào)(熱電極材料相同，即K型)常規(guī)的熱電偶不同，其熱端處的兩個(gè)熱電極沒有焊接在一起的，熱端之外的熱電極間也并非完全絕緣。所以，在測(cè)量同一溫度時(shí)，尋熱式熱電偶的輸出信號(hào)相對(duì)后者總要弱一些。圖4為熱敏電纜和常規(guī)K型熱電偶的E-t特性圖，可以看出，兩條線基本呈直線，且基本平行，其中，熱敏電纜的曲線略微偏下。因此，在最終的數(shù)據(jù)計(jì)算與轉(zhuǎn)換過程中，只需將曲線作平移處理即可。
圖4 尋熱式熱電偶熱電動(dòng)勢(shì)-溫度特性(E-t特性)
②測(cè)溫功能良好
尋熱式熱電偶的兩個(gè)電極輸出的熱電勢(shì)總是和沿線上存在的最高溫度相對(duì)應(yīng)，是一種能夠檢測(cè)其沿線上存在的最高溫度的線型溫度傳感器。
③測(cè)溫面積大
一般的測(cè)溫元件，如鉑電阻、熱電偶、熱電阻等僅能測(cè)一個(gè)小區(qū)域(如一個(gè)點(diǎn))的溫度，即“點(diǎn)”式測(cè)溫。但是在很多場(chǎng)合，需要對(duì)一條線或一個(gè)面等大范圍的溫場(chǎng)進(jìn)行測(cè)溫，顯然用它們進(jìn)行測(cè)溫是難以實(shí)現(xiàn)的。而尋熱式熱電偶為長度為3-40m的溫敏傳感器，使用該元件是很容易滿足要求的。尋熱式熱電偶兩個(gè)電極之間的電勢(shì)信號(hào)反映其沿線的最高溫度。如果把尋熱式熱電偶合理地布置在一區(qū)域內(nèi)(如一個(gè)面上)，那么由尋熱式熱電偶的輸出熱電勢(shì)反映出來的溫度可以認(rèn)為是該區(qū)域(如覆蓋面)內(nèi)存在的最高溫度。因此，使用尋熱式熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，大大增加了測(cè)溫面積。
④高可靠性
尋熱式熱電偶兩端補(bǔ)償導(dǎo)線的引出形式采用冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即兩端引出式(圖5)，這種設(shè)計(jì)允許尋熱式熱電偶感溫段中間斷開1次仍可正常工作。補(bǔ)償導(dǎo)線與感溫段的連接采用防水連接件，這種結(jié)構(gòu)屬本安設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)高，可長期浸泡在水中使用，特別適合于環(huán)境復(fù)雜且惡劣的化工企業(yè)。
圖5 尋熱式熱電偶冗余結(jié)構(gòu)
⑤堅(jiān)固耐用，壽命長
尋熱式熱電偶采用鎧裝結(jié)構(gòu)，既有較好的韌性，又有足夠的強(qiáng)度。測(cè)溫元件的外保護(hù)管采用Inconel 600合金加工而成，該合金具有耐熱耐蝕的良好性能，其長期使用溫度是800-950℃，極限溫度為1100℃。尋熱式熱電偶的連接件是專門針對(duì)化工行業(yè)而設(shè)計(jì)制造的，具有防水耐腐蝕的特點(diǎn)。從而，這些專業(yè)的設(shè)計(jì)保證了尋熱式熱電偶的良好質(zhì)量，安裝時(shí)可彎曲，彎曲半徑為50mm，而且?guī)缀醪恍枰粘＞S護(hù)保養(yǎng)，理論上尋熱式熱電偶平均壽命大于20年。
⑥設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，使用方便
尋熱式熱電偶不需要外加的電源，以電纜兩極自身產(chǎn)生的電勢(shì)來驅(qū)動(dòng)其它器件。美國進(jìn)口尋熱式熱電偶必須經(jīng)過激活處理才能使用，而昌暉儀表制造有限公司設(shè)計(jì)開發(fā)的熱敏電纜安裝后直接正常使用，無需激活。所謂激活，就是通過加熱將尋熱式熱電偶內(nèi)部的潮氣烘出，需加熱1周左右。
三、尋熱式熱電偶的應(yīng)用
尋熱式熱電偶主要在表面溫度監(jiān)測(cè)與過溫報(bào)警和火災(zāi)探測(cè)兩個(gè)功能領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，在表面溫度監(jiān)測(cè)與過溫報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用于一些具有大表面、長線度的大型甚至超大型設(shè)備表面溫度監(jiān)測(cè)與過溫預(yù)警和報(bào)警，往往這些設(shè)備都是某些行業(yè)的大型關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)備的安全運(yùn)行已成企業(yè)的生命。另外，它還能應(yīng)用于某些特殊環(huán)境或空間的火災(zāi)探測(cè)與報(bào)警。
1、煤化工和石油化工行業(yè)中的應(yīng)用
氣化爐是最重要的大型設(shè)備之一，正常工作時(shí)爐內(nèi)溫度高達(dá)1300-1600℃，壓力3-9MPa。爐內(nèi)所襯耐火磚在高溫時(shí)會(huì)熔蝕，受熱氣體和熔渣的沖刷，耐火磚不斷變薄，許用應(yīng)力迅速下降，造成設(shè)備不安全，甚至?xí)斐蔂t毀人亡的慘劇。因此，為了保證氣化爐的正常運(yùn)行和現(xiàn)場(chǎng)人員的人身安全，需要安裝表面溫度監(jiān)測(cè)與過溫預(yù)警和報(bào)警系統(tǒng)(圖6)，從而對(duì)氣化爐殼表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
圖6 由尋熱式熱電偶構(gòu)成的表面測(cè)溫系統(tǒng)
尋熱式熱電偶應(yīng)用在氣化爐上時(shí)，它是按照一定的布線原則纏繞在氣爐爐殼外表面上的。布線密度合理，并能夠保證每一塊耐火磚上都有一支測(cè)溫電纜經(jīng)過。尋熱式熱電偶所產(chǎn)生的信號(hào)通過補(bǔ)償導(dǎo)線傳輸?shù)叫盘?hào)采集與處理模塊，經(jīng)過處理后，將數(shù)據(jù)傳達(dá)給位于安全區(qū)的DCS系統(tǒng)，從而達(dá)到表面溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警目的，并為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供參考。
2、電力行業(yè)中的應(yīng)用
空氣預(yù)熱器是發(fā)電企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其安全與否直接關(guān)系到整個(gè)企業(yè)的安全生產(chǎn)。預(yù)熱器內(nèi)著火時(shí)有發(fā)生，尤其是在機(jī)組啟動(dòng)、熱備用期間，著火可能性更大。當(dāng)煙氣溫度和空氣溫度異常上升時(shí)，往往是預(yù)熱器發(fā)生火災(zāi)的前兆。但當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，為時(shí)已晚。為將火災(zāi)減小到最小程度，有必要采用預(yù)熱器溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
尋熱式熱電偶溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能監(jiān)測(cè)預(yù)熱器內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布，當(dāng)預(yù)熱器內(nèi)部溫度過高或偏離允許值，在火災(zāi)發(fā)生的早期，就能及時(shí)報(bào)警并產(chǎn)生消防動(dòng)作。同時(shí)，當(dāng)預(yù)熱器內(nèi)部溫度低于正常運(yùn)行溫度時(shí)，也給出相應(yīng)信號(hào), 供運(yùn)行人員及時(shí)調(diào)整預(yù)熱器運(yùn)行狀況。從而確保了整個(gè)系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠地運(yùn)行。
3、冶金行業(yè)中的應(yīng)用
結(jié)晶器是連鑄生產(chǎn)中最關(guān)鍵的設(shè)備，其性能及運(yùn)作的可靠性直接影響連鑄生產(chǎn)率及鑄坯質(zhì)量，甚至損壞鑄機(jī)。隨著連鑄的高速化發(fā)展，結(jié)晶器的使用壽命成為連鑄生產(chǎn)的一項(xiàng)重要開支。
在坯鋼連鑄生產(chǎn)中，結(jié)晶器的粘結(jié)性漏鋼是發(fā)生次數(shù)最多且危害性最大的一種，因此一些鋼鐵工業(yè)先進(jìn)的國家都在致力于研究結(jié)晶器漏鋼預(yù)報(bào)技術(shù)。目前最為成熟的預(yù)報(bào)技術(shù)是在結(jié)晶器銅板內(nèi)埋入上百支熱電偶，通過對(duì)銅板溫度的綜合運(yùn)算和邏輯判斷，測(cè)定是否發(fā)生漏鋼或粘著，并向操作者發(fā)出漏鋼預(yù)報(bào)信號(hào)。
尋熱式熱電偶作為一種線式溫度傳感器，僅需要在鋼板里埋幾支，同時(shí)可以在結(jié)晶器外表面分布幾支，再通過模塊采集，信號(hào)處理，顯示與報(bào)警，從而形成在線漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)。
4、物資儲(chǔ)運(yùn)方面中的應(yīng)用
長期堆積在煤倉內(nèi)的煤炭, 時(shí)常發(fā)生自燃, 一方面給企業(yè)造成直接經(jīng)濟(jì)損失，另一方面自燃產(chǎn)生的有害氣體對(duì)周圍環(huán)境造成污染。為了預(yù)測(cè)煤堆自燃可能性，就需要安裝煤倉過熱監(jiān)測(cè)和安全保護(hù)系統(tǒng)。它是在煤堆中按照一定的需求或原則布設(shè)尋熱式熱電偶，通過準(zhǔn)確及時(shí)的監(jiān)控煤堆溫度分布與變化，從而達(dá)到預(yù)防預(yù)報(bào)煤堆自燃的目的。
處于自熱期的煤的氧化速度加快，穩(wěn)定的氧化物分解成水、二氧化碳和一氧化碳。當(dāng)超過臨界溫度Tc時(shí)，煤溫上升急劇加速，氧化進(jìn)程加快。在這個(gè)過程中，煤倉實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就開始報(bào)警，從而在自燃前就可以采取相應(yīng)措施，避免事故發(fā)生。
5、火災(zāi)探測(cè)功能領(lǐng)域中應(yīng)用
在一些容易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，低溫型火災(zāi)探測(cè)器是一種很好的感溫元件。如在列車電力機(jī)車中，機(jī)車能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)，取決于電器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而機(jī)車電流接觸器又是這一系統(tǒng)的重要電器部件。但是接觸器頻繁開合，使其安全可靠性會(huì)有所降低，從而引起火災(zāi)，造成機(jī)車不能運(yùn)轉(zhuǎn)甚至重大損失。為了能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，使得人們?cè)谧疃虝r(shí)間內(nèi)采取有效措施，在機(jī)車上安裝低溫型火災(zāi)檢測(cè)系統(tǒng)正好能夠解決這個(gè)問題。將低溫型火災(zāi)探測(cè)器鋪設(shè)在接觸器上方的位置，感溫線纜實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度，只要該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)通過低溫型火災(zāi)探測(cè)器傳出的信號(hào)做出判斷并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
四、發(fā)展趨勢(shì)與前景
國產(chǎn)尋熱式熱電偶已經(jīng)達(dá)到甚至超過國外的技術(shù)水平，只是在表面溫度監(jiān)測(cè)及過溫報(bào)警系統(tǒng)中所采用的溫度變送器還在使用進(jìn)口產(chǎn)品，因此，需要研制出適合該種尋熱式熱電偶的國產(chǎn)溫度變送器，并具有很好的穩(wěn)定性。
目前，表面溫度監(jiān)測(cè)及過溫報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)在我國大型煤化工行業(yè)氣化爐上得到了廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)的人員和財(cái)產(chǎn)安全提供了保障。尋熱式熱電偶在我國大型電站、光伏產(chǎn)業(yè)、軍工裝備、物資儲(chǔ)運(yùn)等多個(gè)領(lǐng)域重大裝備上也有非常樂觀的應(yīng)用前景。除此之外，還可以廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆、石油化工、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、電力、冶金、通訊、糧食食品、造紙、印刷、蒸汽熱水泵等行業(yè)，其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地開發(fā)，因而市場(chǎng)前景極大。
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