熱電偶在寶鋼“2030 新增冷軋連退工程”中安裝實例

牛向榮

（中冶天工上海十三冶建設有限公司 中國 上海 201999）

0 引言

熱電偶作為工業測溫中最廣泛使用的溫度傳感器之一，由于其無法替代的優點成為工廠里常用的溫度測量儀表。 與鉑熱電阻一起，約占整個溫度傳感器總量的60%，熱電偶通常和顯示儀表等配套使用， 直接測量工廠生產過程中-40～1800℃范圍內的液體、蒸汽和氣體介質以及固體的表面溫度。

熱電偶因其結構簡單，往往被誤認為“熱電偶兩根線，接上就完事”，其實并非如此。 熱電偶的結構雖然簡單，但在使用中仍然會出現各種問題。 例如：安裝或使用方法不當，將會引起較大的測量誤差，甚至檢定合格的熱電偶也會因操作不當，在使用時不合格，在滲碳等還原性氣氛中，如果不注意，K型熱電偶也會因選擇性氧化而超差。

為了提高測量精度，減少測量誤差，延長熱電偶使用壽命，要求使用者不僅應具備儀表方面的操作技能，而且還應具有物理、化學及材料等多方面知識。本文根據寶鋼“2030 新增冷軋連退工程”爐內熱電偶安裝的實踐經驗，主要針對連退工程爐區熱電偶安裝基本注意事項進行了闡述，為以后類似的安裝提供參考。

1 熱電偶概念及工作原理

1.1 熱電偶概念

熱電偶是一種感溫元件，屬于一次儀表，它直接測量溫度，并把溫度信號轉換成熱電動勢信號，通過電氣儀表（二次儀表）轉換成被測介質的溫度。 工業測溫用的熱電偶，其基本構造包括熱電偶絲材、絕緣管、保護管和接線盒等。 兩種不同成份的均質導體為熱電極，溫度較高的一端為工作端，溫度較低的一端為自由端。

1.2 熱電偶工作原理

熱電偶有B、S、K、T、E 等多種分度號，在實際應用中，首先必須選用與熱電偶相配套的補償導線將熱電偶冷端延伸到控制室，然后再與變送、顯示、記錄、調節儀表或數據采集卡等設備相連，系統原理框圖如圖所示。

熱電偶測溫的基本原理是工作端與自由端組成閉合回路，當兩端存在溫度梯度時，回路中就會有電流通過，此時兩端之間就存在熱電動勢，測得熱電動勢后，即可知道被測介質的溫度。

2 熱電偶正確安裝的意義

寶鋼“2030 新增冷軋連退工程”中，為了保證工藝所需的退火周期，更好的清除帶鋼應力，在整個退火機組中退火爐中各種檢測和控制儀表的工藝參數尤為重要， 主要包括：退火爐爐內溫度監視，溫度調節控制輸出上下限幅，各段爐溫控制自動啟動/停止等。 加熱爐段設置了108 套熱電偶，均熱爐段中設置有12 套熱電偶。 該工程選用的是法國進口的熱電偶。 在爐內每一列輻射管中有兩根輻射管配備熱電偶，用于控制及安全預警。 兩根熱電偶的溫度監測數據中較高的參與閉環控制，當其中一根損壞時，將發生報警，同時可以利用另一根繼續生產。 熱電偶安裝的形式是金屬軟管型，螺絲固定于相應的輻射管上。

正確安裝熱電偶不但可以準確測量到溫度的數值，保證產品合格，而且還可節省熱電偶的材料消耗，既節省資金又能保證產品質量。 如果熱電偶安裝不正確，熱導率和時間滯后等問題出現，給測量過程帶來了主要誤差，不能反映爐膛的真實溫度。

Stein-heurtey 爐區控制系統采用了西門子PS7 的控制系統，帶鋼規格、溫度和機組速度控制爐內溫度直接參與生產控制計算機系統的控制，很顯然帶鋼溫度測量直接影響著該系統工業自動化儀表檢測與控制系統的工作，是整個生產控制過程的重中之重。

3 熱電偶安裝原則

熱電偶安裝位置的選擇是特別重要的，從生產工藝角度出發，測溫點一定要具有典型性和代表性，必須能準確反映該工藝參數真值的大小，否則將失去測量與控制的意義。

熱電偶安裝通常應把握以下這幾點原則：

3.1 熱電偶應安裝在溫度較均勻且能代表待測工作溫度的地方，盡可能靠近所要測的溫度控制點。

3.2 熱電偶的安裝應盡可能避開強電場和強磁場，應遠離儀表電源及動力電纜或采取相應的屏蔽措施，以防止由于外來因素干擾而造成測量誤差。

3.3 熱電偶熱端與被測介質應充分接觸，不能裝在被測介質很少流動的區域內（對流動介質而言）。

3.4 熱電偶冷端盡量避免溫度過高（一般不應超過100℃）。在高溫下使用的熱電偶，爐內溫度測量的介質為氣態，保護管表面沉積的灰塵等將容易燒熔在表面上，使保護管的熱阻抗增大。

3.5 熱電偶不應裝在太靠近爐門或者加熱的位置，插入的深度至少應為保護管直徑的8～10 倍； 熱電偶的保護套管與爐壁間的間隔未填絕熱物質致使爐內熱溢出或冷空氣侵入，因此熱電偶保護管和爐膛壁孔之間的空隙應用耐火泥或石棉繩等絕熱物質堵塞以免冷熱空氣對流而影響測溫的準確性；熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過100℃。

4 熱電偶安裝注意事項

4.1 電極絕緣問題

除熱端接點外，電極的其它部分應嚴格絕緣，如果絕緣不好或短路，將會引起測量誤差甚至不能測量。 安裝和使用時，應檢查熱電偶兩電極間的絕緣材料（如普通型的陶瓷管）是否完好。

4.2 與補償導線的連接

熱電偶與補償導線的連接應注意以下幾點：

1）補償導線型號與熱電偶的分度號必須對應，絕不能用錯。

2）補償導線與熱電偶的兩連接點的溫度應相同，且不得超過規定的使用溫度（普通型小于100℃，耐熱型小于200℃）。

3）補償導線和熱電偶都有正負極之分（可根據電極硬度、電極顏色或絕緣層顏色來區分），連接時極性不能接反，否則將產生反補，使測量誤差大大增加。

4.3 熱阻抗的影響

熱電偶因保護套管外表面附著灰分和氧化物產生的熱阻抗不僅會增加熱電偶的響應時間，使其反應滯后，同時還會使示值偏低，必須重點考慮，尤其是水平安裝的熱電偶。 在使用過程中，應根據環境狀況定期檢查并清理，以保持熱電偶保護管外部的清潔。

4.4 熱電特性變化的影響

熱電偶經長期使用后，熱電極會出現被腐蝕、氧化或晶格不均勻等現象，這將導致其熱電特性發生變化，如變化顯著，則會嚴重影響其示值準確性。 解決這一問題的主要辦法就是保護好熱電偶接線盒，使接線盒的出線口和蓋子都由橡膠墊片進行密封，防止丟失和損壞，這將會有效減緩熱電特性發生變化的速度。

5 測量誤差的分析與調整

5.1 絕緣變差而引入的誤差

如熱電偶絕緣了，保護管和拉線板污垢等過多致使熱電偶極間與爐壁間絕緣不良，在高溫下更為嚴重，這不僅會引起熱電勢的損耗而且還會引入干擾，由此引起的誤差有時可達上百度。

5.2 熱惰性引入的誤差

由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測溫度的變化，在進行快速測量時這種影響尤為突出。 由于存在測量滯后，用熱電偶檢測出的溫度波動的振幅較爐溫波動的振幅小。 測量滯后越大，熱電偶波動的振幅就越小，與實際爐溫的差別也就越大。

5.3 熱阻誤差

高溫時，如保護管上有一層煤灰，塵埃附在上面，則熱阻增加，阻礙熱的傳導，這時溫度示值比被測溫度的真值低。 因此，應保持熱電偶保護管外部的清潔，以減小誤差。

6 結語

本文以連退工程爐區熱電偶的安裝為例，主要闡述了熱電偶安裝的基本注意事項，嚴格按照產品說明書及安裝原則正確地安裝熱電偶，確保生產過程中的溫度測量精度及使用壽命。 在以后的工程中把積累的經驗應用到實際安裝中，同時再進一步積累總結，使所安裝的設備測量精度更準確地參與工業自動化儀表檢測與控制， 從而更好地滿足生產的要求。S

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［2］李忠虎.熱電偶應用問題綜述[J].工業計量，2007，02.

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