【摘要】：溫度是熱力控制系統的重要參量之一，幾十年來它的測量技術得到了飛速發展，測量裝置也從單一的測量功能向多功能、智慧型化和高精度方向轉變。本文系統的闡述了在當今大型火力發電機組上所應用的熱工溫度測量裝置的種類、基本構造、測量原理及與dcs結合應用測量迴路的構成，深入地分析了在使用過程中經常出現的故障和處理方法，為同行使用該裝置時少走彎路提供理論參考。
【關鍵字】：熱電偶熱電阻分布式控制系統（dcs）溫度變送器雙金屬溫度計
1．概述
溫度訊號是熱力控制系統中的乙個重要參量，通常一台600mw火電機組其溫度測點的數量大致在1000點左右，佔各類測點總量的1/3強，而且測量範圍也非常廣，從負的幾十度（根據地區而定）到近千度。因此所測溫度訊號的準確與否將直接影響到機組執行的安全性、穩定性和高效性。
隨著儀表控制技術的飛速發展及分布式控制系統（以下簡稱dcs）的出現，原來廣泛使用的溫度測量裝置，尤其是二次儀表部分（如溫度變送器）已被逐漸淘汰，其功能已由dcs相應卡件上的通道來承擔（一塊卡件往往同時可以接受8至16個訊號）。與dcs結合後，溫度測量訊號的整合度和精度都有了明顯提高，每乙個訊號都可以得到最大限度的應用：同乙個訊號在dcs內部既可以做監視用又可以做記錄用，經過dcs轉換後也可輸出至其他裝置用——非常靈活。
但對於前端的感測元件目前變化不是很多——熱點偶和熱點阻至今仍是被應用得最廣泛的測溫元件。
2．熱電偶測量裝置
2．1測量元件
熱電偶因其結構簡單、穩定性好、**低廉（普通型國產約
五、六百元一支）、壽命長（通常可使用4~6年，一些焊接式的如鍋爐金屬壁溫熱電偶可達10年以上，且主要是因遭長期汙染或腐蝕後導致精度降低而更換，很少發生因機械原因而更換的）等優點，被廣泛地應用，同時考慮到適合於電廠應用範圍和高價效比因素，實際大多使用了e型（鎳鉻-康銅）熱電偶，少數測點因測量精度要求較高或測點溫度較高如爐膛煙溫探針等則採用了k型（鎳鉻-鎳矽）熱電偶。
熱電偶簡單的結構決定了它極為可塑的應用形狀，可以根據需要加工成粗細長短各不同的、單支或雙支（通常採用雙支熱電偶，一支作為備用）的，有些熱電偶如鎧纜熱電偶在使用時可將其頭部進行彎扭以滿足現場裝置的不同安裝形狀要求。
眾所周知熱電偶的測量原理是熱電效應，它同其他感測器最大的區別就是不需要加任何激勵電源就可以產生訊號。不過它產生的是極弱電訊號，一般只有幾十個毫伏，為了防止訊號失真對熱電勢的傳送有著很高的要求：首先必須使用專用的電纜（稱補償電纜），而且不同型號的熱電偶其補償電纜也不一樣（e型配鎳鉻—考銅線、k型配銅—康銅線）。
其次對干擾訊號的遮蔽要求較高，線纜通常採用雙層遮蔽。
2．2冷端補償
熱電偶的冷端補償功能已普遍移入dcs中。以下以infi－90控制系統為例，所有i/o櫃都放置在環境溫度恆定（一般為18℃~21℃）的電子室內，這樣在i/o端子櫃內進行冷端溫度補償時能夠得到精度較高的測量值。當熱電偶冷端溫度為零攝氏度（簡稱t0）時，補償電橋r1=r2=r3=rf(t0)，電橋平衡，補償電壓uba=0，測溫迴路的總電勢為eab(t,t0)。
當熱電偶冷端溫度變化，如上公升為t1時，雖然熱電偶的熱電勢減小了，但由於溫敏電阻rf值增大，補償電橋會有uba電壓輸出，測溫電路總電勢為eab(t,t1)+uba。只要選擇好補償電橋的工作電流值，就可以使補償電壓uba恰等於因冷端溫度上公升而減小了的那部分熱電勢eab(t,t1)，使測溫電路總電勢eab(t,
t0)保持不變，如圖（1）。
以上補償後的熱電勢eab(t,t0)進入訊號隔離器，在那裡進行隔離變送將毫伏訊號線性地轉化為1~5伏訊號（統一按900℃為滿量程計算）後輸入i/o卡件，在i/o卡件中進行模/數轉換最後送控制器卡件進行運算和控制。
2．3軟體處理及控制
進入dcs控制器卡件的溫度訊號是數字量訊號（從工程師工作站上監視時，顯示的還是毫伏值），同輸入的毫伏電壓值呈線性關係，所以要將它轉換成溫度訊號還需要列表進行插值計算。
f(x)中的資料如下表（e型）：
12毫伏值03.048
溫度值(℃)
050345678910
6.3199.78913.4221.0428.9545.0957.0868.79
100150200300400600750900
同時為了保證整個測量系統的可靠性,在控制邏輯中對每個主、重要溫度測量引數現場安裝了多個測點，例如過熱器出口溫度，雙測點輸入即冗餘測點輸入或三測點輸入，相應的控制邏輯則採用二選一或三取中。
根據傳熱學定律可知熱量的傳遞快慢取決於傳熱體的熱阻，因此任何一種溫度測量裝置對於溫場測量的反映都要比流量、液位、壓力訊號慢得多，再說熱電偶的元件外通常還有一層保護套管。所以它對溫度變化的響應不是階躍特性而接近於慣性特性，對此現場對溫度控制的主控pid中要加入一些導前分量，以防被控物件的溫度過調。
2．4常見故障與分析
熱電偶的常見故障主要表現有：
a．熱電偶的補償導線接反。這主要是基建時出現的問題，負責接線的人員一時的粗心造成，屬人為因數。當出現熱電偶的補償導線接反情況時，操作員控制站上的顯示通常比實際值偏大或偏小（根據通道測量迴路而定）。
b．熱電偶的補償導線絕緣層被磨破，造成訊號迴路接地。這主要是因為補償導線較硬，而且在接線盒內又未被安放平整，處理故障時多次旋擰接線盒蓋碰到補償導線而將其磨破。此類故障反映在操作員控制站上其溫度示值一般偏小。
c．接線盒內接線端子接觸不良。因補償導線和熱電偶的導線都比較硬，所以現場檢修時緊固接線比較困難，有時候開始把導線擰緊了但過段時間隨著導線的變形又松了。此類故障反映在操作員控制站上的溫度示值為無顯示或顯示值超量程。
d．補償電阻故障。此類故障表現為熱電偶接上後溫度顯示值緩慢上公升或下降。e．鍋爐尾部煙道測量熱電偶故障率較高。
停機檢修時將熱電偶拆下發現熱電偶的頭部包括護套管被煙氣沖刷後嚴重磨損，將護套管改由耐磨鋼材料製成後，才消除了此類故障隱患。
f．訊號遮蔽系統dcs櫃內接地不良。此類故障極容易造成電荷在訊號線上積累，引起訊號漂移或晃動。由於該問題故障點較難查明，通常的處理方法是解開訊號線，對其進行對地放電處理。
g．溫度輸入訊號經隔離器後故障，反映在操作員控制站上的溫度值訊號異常。更換隔離器後正常。
以上是檢修時經常碰到的問題，但在查詢這些故障時，建議先用萬用表在
dcs的i/o
端子櫃上測量輸入的電壓值，這樣可以迅速判斷出是就地測量端問題還是dcs部分的問題，對於多點輸入還可同另外幾支熱電偶訊號進行比較。如判斷不出再行解線測量其電阻值，通常熱電偶的電阻值為100ω左右。
3．熱電阻測量裝置
以熱電阻為測溫元件的溫度測量裝置在火電廠裡的使用率僅次於熱電偶。普通型國產熱電阻約千元一支，**較熱電偶貴，但低溫時特性較好，測量精度要高於熱電偶，主要用於檢測溫度低於200℃的測點。目前在測量發電機線圈溫度及風機、磨煤機等大型輔機馬達線圈溫度上我廠大量採用了熱電阻元件，一台600mw的機組熱電阻測點約有
二、三百個。
3．1熱電阻元件
熱電阻作為測溫裝置的感測部件，分為金屬熱電阻和半導體熱電阻，我廠應用的是pt100金屬熱電阻，因為它具有如下特性：
（1）電阻溫度係數大，即靈敏度高；
（2）物理化學性質穩定，抗氧化性好，測量精度高，能長時間適應較惡劣的測溫環境；
（3）電阻率大，電阻體積小，從而使得測溫的熱慣性小；（4）在〈250℃時，電阻—溫度關係近於線性關係；
熱電阻元件結構一般由電阻體、引線、絕緣子或絕緣膠管、保護套管及接線盒組成，電阻體是用熱電阻絲繞制在絕緣骨架上製成的，為消除繞制電感，通常採用雙線並繞，這樣，當線圈中通過變化的電流時，由於並繞的兩導線電流方向相反，磁通互相抵消，消除了電感。引線的作用是將熱電阻體線端引至接線盒，以便與外部導線和dcs通道連線，引線的線徑較粗，一般為1mm左右，以減小附加測量誤差，材料一般為銀，接法採用三線制。絕緣子或絕緣膠管套在引線上，以防止引線之間及引線與保護套管之間短路。
熱電阻元件安裝方式大都採用嵌入式，即將電阻體安放在由製造廠專門設定的測孔內，使用後感覺其測量的動態反應較好。
熱電阻測量原理：熱電阻測量裝置是基於金屬導體或半導體電阻值與本身溫度呈一定函式關係的原理實現溫度測量的。金屬導體電阻與溫度的關係一般可表示為：
r(t)=r(t0)[1+α(t-t0)]
式中r(t)——溫度為t時的電阻值；
r(t0)——溫度為t0時的電阻值；
α——電阻溫度係數，即溫度每公升高1℃時的電阻相對變化量。
由於一般金屬材料的電阻與溫度關係並非線性，故α值將隨溫度變化，並非常數。
3．2測量迴路
當今與dcs配套使用的熱電阻元件絕大多數採用三線制，因為三線制接法可以減小或消除因引線電阻變化所引起的測量誤差。dcs通道的測量迴路也相應地採用電橋法，如圖（2）。
電橋的對臂電阻各為rt、r1和r2、r3，則在電橋平衡時電阻間的關係為rt=r2·r3/r1。通道整定的測溫範圍為0~200℃，對應的rt為100~175.86ω，r1、r2、r3的阻值經計算配對後，使整個測量迴路的輸出電流經取樣電阻後其兩端電壓值對應為1~5v。
然後該電壓訊號送隔離器隔離後，再送i/o卡件，在i/o卡件中進行模/數轉換最後送控制器卡件進行運算和控制。
3．3軟體處理及控制
進入dcs控制器卡件的溫度訊號是數字量訊號（從工程師工作站上監視時，顯示的還是電阻值），它同輸入的電阻值還是呈線性關係，所以要將它轉換成溫度訊號還需要列表進行插值計算
f(x)中的資料如下表（pt100型）：
12電阻值(ω
100107.62
溫度值(℃)
020345678910
119.02126.57137.98145.55153.2160.69168.34175.86
5070100120140160180200
因為熱電阻的動態特性不如熱電偶，所以在大型電廠中熱電阻訊號很少用於控制和保護，基本上是作為監視用。
3．4常見故障分析
前面提到過熱電阻的應用場所大都為電機線圈、潤滑油溫度等，環境狀況較好，元件的故障率相對較低，總結熱電阻的常見故障主要表現在以下幾方面：
(1)部引線接線端子接觸不良。當「+」接線端子有問題時，操作員站上訊號顯示偏大或超量程；當「com」接線端子有問題時，操作員站上訊號顯示偏小或超低量程；當「—」接線端子有問題時，操作員站上訊號無顯示或停留在原來值。
溫度輸入訊號經隔離器後故障，反映在操作員控制站上的溫度值訊號無顯示並且有訊號壞質量故障報警。更換隔離器後正常。
另外，注意在查詢故障時，切忌在通道端子上接線未解開時就用萬用表測量電阻值，這樣不僅測不准rtd的阻值，而且有可能將萬用表電阻檔的輸出電壓串入通道中造成i/o通道損壞，更為嚴重的是，萬一該點訊號用於保護時，會造成機組跳閘。
4．就地溫度計
除上述二種與dcs配套使用的熱電偶和熱電阻溫度測量裝置外，還有一種單純用於就地顯示的溫度測量裝置——就地溫度計，此類溫度計通常精度不高（一般為1.5級），在電廠中主要起輔助檢測作用，數量也只有100來個，平常執行人員只是對它進行定時巡檢，記錄就地裝置的溫度示值資料，提供對**執行裝置情況的參考。
目前廣泛使用的溫度計有兩種。一種是雙金屬溫度計，它是將兩種不同的金屬材料片貼焊在一起形成感測片，利用它們對溫度變化的伸縮特性不一致而導致感測片的彎曲從而帶動溫度表的指標轉動。另一種是毛細管溫度計，毛細管內充有矽油，當溫度變化時，矽油隨之產生膨脹或收縮而帶動表頭指標的轉動來測量溫度。
從目前使用的情況來看，這兩種表計內部機械損壞概率不大，但隨著使用時間延長，表計的精度會下降而且時常會發生卡針或表殼破損的情況，最後不得不更換。就地溫度計應注意強制檢驗週期，每次檢修時都應該檢驗已到期的溫度計，並且貼好標籤密封安裝。
5．結束語
現今溫度測量裝置在大型電廠中運用廣泛，從我們使用者的觀點出發，總是希望該類裝置能有非常高的可靠性和滿意的測量精度、方便的維護手段，但往往是「魚和熊掌不可兼得」，所以如何正確選擇各種形式的測量裝置對機組以後能否安全穩定執行、檢修人員是否輕鬆高效至關重要。盡量避免測溫裝置在大型機組中的常見故障，提高機組的安全穩定執行水平。
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