水泥工業(yè)熱電偶使用經(jīng)驗及技術(shù)進展

唐新宇

（天津中材工程研究中心有限公司， 天津 300400）

由兩種不同材料兩端閉合組成一個回路，兩個端點溫度不同就會產(chǎn)生熱電勢，測量熱電勢就可以得到兩端的溫差，再根據(jù)一端（即參考端）的溫度就可以算出另一端的溫度（即測量端）。這就是熱電偶的工作原理[1]。熱電偶的種類有T、J、E、K、N、S、R、B 等類型，K 型和N 型熱電偶測量范圍在1200℃以內(nèi)，S、R 型熱電偶在1300℃以內(nèi)。由于N 型熱電偶加工成本較高，S、R 型熱電偶材料成本高，因此K 型熱電偶是以水泥工業(yè)為代表的高溫高塵煙氣測量用熱電偶的首選。

1 測溫點選擇和熱電偶插入深度

熱電偶測溫必須與被測介質(zhì)接觸，因此測溫點必須選擇快速測量出被測物質(zhì)真實溫度的地方，優(yōu)先選擇煙氣管道的中心位置，即流速最大處。但是由于水泥工業(yè)多數(shù)煙氣為高溫高塵氣體，熱電偶插入深度過高必然壽命極大下降，因此不能插入深度太大。另外由于熱電偶一般配有保護管，通常為金屬或陶瓷材質(zhì)，根據(jù)相關(guān)研究，保護管的壽命受其固有頻率和激勵頻率的影響，插入深度越大，激勵頻率與固有頻率的比值越大，保護管越容易因共振而損壞。綜合考慮導熱等因素，一般金屬保護管長度可以取其直徑的15-20 倍，陶瓷保護管長度可以取其直徑10-15 倍[2]。另外，保護管的插入角度最好是硬著煙氣流量斜插45°，測量端與煙氣的熱交換效果最好，響應(yīng)時間最短。

2 熱電偶使用過程中的誤差

1）參考端誤差。熱電偶參考端溫度理論上要求0℃，這樣熱電偶測出來的溫度就是實際溫度。但是因為水泥廠現(xiàn)場熱電偶參考端多數(shù)很難保持0℃，因此往往只能進行現(xiàn)場溫度校正，會造成系統(tǒng)誤差，最終影響測量結(jié)果。

2）粘附粉塵引起熱阻抗造成的誤差。由于水泥廠熱電偶多數(shù)使用環(huán)境是高塵環(huán)境，套管外很容易粘附各種粉塵，造成熱電偶測量端-保護套管-煙氣之間的傳熱變成了測量端-保護套管-結(jié)皮-煙氣之間的傳熱，會造成顯示溫度降低，這也是系統(tǒng)誤差。

3）熱電偶本身材料變性導致的誤差。熱電偶在長期高溫使用后，材質(zhì)內(nèi)部的晶體構(gòu)型、雜質(zhì)形式都有可能發(fā)生變化，熱電偶的電動勢也會發(fā)生變化，這就是熱電偶的老化。熱電偶的老化是不可避免的，必須定期進行校正。

4）響應(yīng)時間。由于水泥窯煙氣的溫度變化較快，甚至在1 秒內(nèi)發(fā)生，而普通熱電偶的響應(yīng)時間顯然大于煙氣溫度的變化速度，這就會造成延遲。另外在熱電偶保護套上形成結(jié)皮后，傳熱熱阻變大，溫度梯度下降，熱電偶的響應(yīng)時間會繼續(xù)延長。

5）插入深度。

董清鋒[3]結(jié)合插入深度帶來的測量誤差關(guān)系式認為，插入深度的測量誤差與導熱系數(shù)、換熱系數(shù)和保護管直徑有關(guān)，依據(jù)循環(huán)流化床歷史記錄分析，約1000℃的高溫煙氣，插入深度一致的熱電偶之間溫差在5℃；插入深度差10mm，溫差20℃。因此熱電偶更換時最好保持相同的插入深度，才能不影響數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

3 熱電偶使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)的問題和解決方案

熱電偶使用中主要的問題就是沖刷、附著結(jié)皮、與鄰近材料擠壓等。

1）使用陶瓷保護管時，由于陶瓷比較耐受高溫但是并不耐受敲擊，因此在高粉塵環(huán)境中比如分解爐等部分，很容易在運行時被粉塵沖擊而損壞。不同的工作環(huán)境需要不同的保護套管，因此水泥工業(yè)多數(shù)采用金屬套管，而煤氣化爐多采用剛玉套管[4]。

2）熱電偶在測量高溫氣體時，多數(shù)經(jīng)過鋼板（設(shè)備金屬外殼）、硅酸鈣板、耐火材料（耐火磚、澆注料）三層。由于各層熱膨脹系數(shù)存在一定差別，導致熱電偶及套管會因為與這幾層材料的高溫相互擠壓而損壞。為了避免這種材料的發(fā)生，更換熱電偶時最好在熱態(tài)更換熱電偶而不是冷態(tài)時更換。

3）附著物破壞。粉塵在保護套管上形成結(jié)皮后，不僅影響響應(yīng)時間和測量精度，同時由于結(jié)皮的熱膨脹系數(shù)與保護套管不同，且高溫下粉塵會和套管發(fā)生一定反應(yīng)，因此在溫度變化時會破壞套管。生產(chǎn)中只能增大清理結(jié)皮的頻率來避免在這種情況的發(fā)生。

4 熱電偶進展

研究熱電偶的重點就是如何減少粉塵沖刷、附著。

董建國[6]設(shè)計了一種熱電偶保護套，其基本原理是利用保護套上的多個小孔降低煙氣的風速，從而使煙氣攜帶的粉塵在接觸到熱電偶前改變流動方向，保護熱電偶免收高溫粉塵的沖刷，延長熱電偶的使用壽命。但是由于該方法吹到熱電偶上的熱風被減速，降低熱電偶與煙氣的熱交換速率，延長了響應(yīng)時間。不過其不與粉塵接觸的思路是比較有前途的。

高麟[7]在熱電偶前設(shè)置了一個擋塵板，用擋塵板阻擋高溫含塵煙氣直接沖刷熱電偶，延長熱電偶的使用壽命同時減少結(jié)皮。但是由于煙氣在擋塵板降低了速度，接觸熱電偶的速度也很慢，同樣有熱交換速率低，響應(yīng)時間長的缺點。張文功[8]則將該設(shè)計應(yīng)用到水泥窯三次風管測量上。

胡慶偉[9]設(shè)計了一種可自動旋轉(zhuǎn)的保護套管，通過保護套管的旋轉(zhuǎn)避免套管迎風面固定部分接受粉塵的沖擊，而是各個側(cè)面均勻承受，這樣延長保護套管和熱電偶的壽命。但是該方式必然形成附著物破壞，降低測量精度，延長響應(yīng)時間。

李碩[10]將單一的套管材質(zhì)改為金屬+陶瓷雙材質(zhì)，測量端采用金屬材質(zhì)導熱好，非測量端的中間部分采用特殊耐磨陶瓷，結(jié)合兩種材料優(yōu)點提高熱電偶壽命。但是還是無法解決粉塵沖刷和附著結(jié)皮問題。

5 總結(jié)

熱電偶是以水泥工業(yè)代表的高溫高塵常用測溫儀表，使用過程中會因為很多原因造成誤差和損壞，本文給出相應(yīng)的一些對策，并介紹了熱電偶在高溫高塵環(huán)境應(yīng)用的一些進展。