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非金属热电偶在高温探测中的应用研究

2014/11/13 22:45:44  来源:计测网通讯员 
字号: 13号字 16号字

  摘 要: 介绍了高温测量中传统温度传感器的缺陷, 提出了一种新型的非金属温度传感器) ) ) 石墨纤维热电偶, 并对该传感器的特性、加工方式、应用环境进行了分析。设计了温度传感器的放大、滤波、模数转换、数字化处理的硬件电路, 并采用分段曲线拟合方法对传感器的非线性进行了校正, 从而使传感器在较大的测量区间内具有良好的可靠性。从理论上分析, 该传感器测量温度高达3 000℃ 以上, 解决了高温环境下钢水温度的连续测量问题。

  关键词: 石墨纤维热电偶; 高温探测; 线性化校正; 分段曲线拟合

  在冶金、钢铁、建筑材料、化工等众多行业中, 温度是确保顺利生产和质量控制的重要参数。温度测量直接关系到产品的质量与生产成本。因此, 准确地进行生产过程的温度测量, 对指导生产的正常进行意义重大。在热工生产中, 钢、铁在熔融状态下,温度达到1 200 ℃ 以上, 主要测量方法有接触式的铂铑金属热电偶温度计和非接触式的红外辐射温度计。红外辐射温度计是利用测量高温物体的热辐射获得温度值, 其温度采集主要利用光学方法, 通过光学准直系统采集和传送被测温区的辐射能, 通过亮度、色度比较方法确定被测物体的温度, 但测量精度不如接触测量。铂铑热电偶以其测温精度高、热电互换性好、材质抗氧化等优点获得了广泛应用, 其中B 型铂铑热电偶被选定为国际温标基准测温仪器。实践发现, 采用铂铑30/ 6 热电偶虽然可连续测量钢水温度3~ 4 h, 但测量时间受限于保护器材和装备的稳定性, 且不应在还原性气氛和含有金属及非金属蒸气的气氛中使用, 也不应在没有可靠保护时使用。由此可见, 铂铑热电偶的不足: ① 材质熔点低,不耐高温; ② 性能娇贵不耐腐蚀, 尤其在高温应用中, 热电偶保护套管经常损坏, 使昂贵的铂铑热电极很快被熔融金属、炉渣、酸、碱、盐液体及硅、硫、碳、氟、氯等腐蚀性较强气体腐蚀坏; ③ 不耐老化、易断、易丢失、使用范围小; ④ 资源短缺、成本昂贵。铂铑高纯材料是单一金属造价最高的物质, 高纯铂铑丝每克重达数百元, 我国用料多靠进口。根据市场需求分析, 目前, 钢水包内钢水、工频加热炉内铁水的温度测量仍用快速热电偶完成, 每次测温消耗一只, 每个炉子每年消耗10 万元以上的热电偶, 因此, 选用一种性能可靠、损耗小的测温仪是很有必要的[ 1] 。

  石墨纤维热电偶以石墨纤维为敏感元件, 利用热电效应进行温度测量。它属于人工合成非金属热电偶, 呈线状黑亮体、柔软可挠、质轻不娇。原材料为聚丙烯腈碳纤维, 向正极中渗硼, 再经3 600 ℃高温石墨化烧成。在烧成过程中硼原子扩散到石墨晶格中, 取代碳原子质点形成替位式半导体结构, 使碳纤维高度石墨化, 微观结构发育完善, 晶格形状稳定。该电偶只要在低于烧成温度下测温, 热电性能十分稳定。与铂铑热电偶相比, 石墨纤维热电偶具有以下优点: ①耐高温。由于烧成温度高达3600℃ ,因此可以测量3 000 ℃以上高温。② 材质抗腐蚀性增强。尤其在高温应用中不怕熔融金属、熔渣、液体酸碱盐及硅、氯、硫、碳、氟等元素气体的强腐蚀作用。③ 原材料成本低。每克石墨纤维成本不足一元。④ 耐老化, 不易脆断, 灵敏度较高。鉴于以上分析, 选用石墨纤维热电偶进行钢水温度测量是完全可行的[ 2, 3] 。

  1 石墨纤维热电偶测温系统的组成

  石墨纤维热电偶传感器一般做成棒型, 其整体主要由热电极、绝缘管、保护管、接线盒等几部分组成, 其中热电极是用石墨纤维材料制成的, 属于测温的敏感元件。热电偶的输出信号经过温度送变器转变成4~ 20 mA 的直流电压信号。由于温度测量是在条件较恶劣的环境下进行, 存在着较强的电磁干扰, 因此, 传感器信号须经过滤波后再由前置模拟电路进行放大, 并通过滤波器后得到模数转换器需要的电压信号。单片机获得温度信息后, 再根据事先设定的修正模式及参数经过运算处理后, 得到被测的温度数据, 由单片机根据用户的操作将温度数据输出到数码管直接显示、或由微型打印机打印、或者通过D/ A 转换以电流形式输出给监控仪表, 也可以由串行通讯接口上传给微机进行进一步的分析与控制[ 4] 。其测量结构框图如图1 所示。

  在此选用AT89C52 单片机系统作为信号控制单元, 它是一个低电压、高性能的8 bit 单片机, 片内含8 kbyte 的可反复擦写的只读程序存储器和256byte 的随机存取数据存储器, 该器件采用高密度、非易失性存储技术生产, 片内置通用8 bit 中央处理器和Flash 存储单元, 内含2 个外中断口, 2 个全双工串行通信口, 可以按照常规方法进行编程, 也可以在线编程。将其通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起, 特别是可反复擦写的Flash 存储器可有效地降低开发成本, 因此适用于许多较复杂系统控制应用。

  模数转换选用美国Intersii 公司生产的一种高精度、低噪声、低漂移、价格低廉的双积分式12bitA/ D 转换器ICL7109, 它配有较强的接口功能,能方便地与AT 89C52 单片机系统相连, 其转换方式既可以连续转换, 也可以由外部时间控制。D/ A转换器选用分辨率为12 bit 的AD7521, 功耗低, 输出电流稳定时间短, 采用两级缓冲可以有效地避免输出电压出现毛刺现象。同时对键盘显示采用了BC7281A 进行管理, 它可以驱动128 段LED 显示及64 键键盘, 且驱动输出极性与输出时序均为软件可控, 从而可以和各种外部电路配合。考虑到单片机系统与PC 机之间的距离较远, 不便采用并行数据通讯, 采用了RS-232C 串行通讯接口, 通讯距离可长达15 m, 传输速率最大为20 kB/ s。

  采用石墨纤维热电偶温度传感器, 既可以对温度进行间断测量, 也可对钢水的温度进行连续测量,并实时显示测量结果。这样便为实现炼钢生产闭环控制提供了有力的保证, 对提高生产率和产品质量有直接意义, 因此有可能成为取代现行的一次性偶头间断测温的定向化产品。该系统不仅具备连续测温的特点, 同时融合了接触式测温准确可靠和非接触式测温成本低廉的优点。该系统投入使用, 将创造巨大的社会效益和经济效益。

  2 热电偶热电势- 温度关系线性化

  利用石墨纤维热电偶温度传感系统, 我们对钢水的温度进行了测量, 获得了最高温度为1 300℃的相关数据。图2、图3、图4 分别给出了不同热电偶的输出电压随温度变化的关系, 从中可以看出, 在温度较低的区域内, 曲线的线性较好, 当温度较高时,曲线出现明显的非线性。以P1N1 、P2N2、P3N3 型传感器为例, 在100℃ ~ 700℃温度区间非线性误差很小, 通常为1. 9% ; 而在700 ℃ ~ 1 300 ℃ 温度区间内非线性误差十分明显, 高达12%。如此严重的非线性误差是无法达到精密测量要求的, 必须对温度传感器进行线性化校正。

  非线性误差的校正方法很多, 有硬件补偿法和软件补偿法。硬件补偿可以采用不同增益的运算放大器或可变电压源电桥; 软件补偿法包括函数运算法、拟合法等, 一般由函数运算实现。相比较而言,软件补偿法更具有通用性, 为了确保温度测量在整个的测量范围内都有较高的准确度, 在传感器的数据采集与处理系统中采用函数拟合的方法来推算出传感器的输入、输出关系, 然后再通过对实测值进行选定函数的数值计算, 求得准确的测量结果。

  将热电偶的热电势公式用幂级数展开:

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