E型热电偶动态特性实验研究与分析

摘要：以E型热电偶为研究对象，采用泓格I-7018温度采集模块、德国SiKA TP17650M检验仪设计了动态实验系统，通过Visial Basic和DCON Utility软件实现了实验数据的自动采集，完成了E型热电偶的动态特性实验，并使用MATLAB对实验数据进行了可视化研究，得出了该类型热电偶在不同偶丝直径、不同插入深度以及不同被测温度下的数学模型，为该类型热电偶在火电厂安装、检修时提供必要的理论基础与实践指导。

关键词：E型热电偶；动态特性，数学建模

中图分类号：TP212.11文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.10036199.2017.01.012

1引言部分

在火力发电厂中，虽然各类型温度传感器都有相应的安装规范与技术要求，但在施工过程中，由于施工人员的不能严格按照要求进行安装调试，经常会出现温度传感器损坏、测量回路异常、温度信号的阈值设置不合理等现象的发生，而这些故障或者事故的发生，往往会造成温度信号突变引起保护对象的误跳闸，进而引起保护误动作或拒动，造成机组的非计划减出力或停运，给电力系统带来巨大损失。

由于上述问题的严重性，国内外不少技术人员和专家都对该类问题进行过相关的研究与分析，做过诸如对温度传感器进行静态特性测试[1-2]的研究与分析、校验设计与测量数据处理[3-4]的讨论、同时也有对热电偶的动态特性[5-6]进行实验设计与研究、还有对该类问题进行过数学建模分析[7]。本文以E型热电偶为例，设计一套完整的动态实验系统，得出E型热电偶测温时，相对误差（精度）与插入深度、时间常数以及偶丝直径之间的关系，并且建立了对应的数学模型，为该类型热电偶在火电厂安装、检修、维护时提供必要的理论依据与实践指导。该实验系统包括校验仪（作为标准热源）、E型热电偶、热电偶信号采集模块、转换模块、电源和工控机，工控机通过RS232串口与转换模块I-7520、采集模块I7018、校验仪相连，由于热电偶的使用温度受材料规格和直径的影响，因此，K型热电偶的长度为15 cm，直径为2～5 mm，电源为DR7524开关电源，范围为10 V～30 V，电源供应器的额定功率大于整个系统的消耗功率的总和。

2.3实验步骤

1）开启电源，启动干式炉升温；运行应用程序，设定被测温度和采集时间，选择接收端口和采集周期； 当干式炉升温至设定温度并稳定时，将热电偶快速（形成类似于阶跃信号的输入）插入干式炉中，同时点击工控机界面上的“开始采集”按钮，实验开始；

2）在实验过程中，保持热电偶固定，直到应曲线平稳，点击工控机界面上的“停止采集”按钮，将热电偶取出，点击工控机界面上的“保存数据”按钮，保存实验数据和图像；

3）当热电偶冷却至室温后，分别改变热电偶插入干式炉中的深度、干式炉的设定温度和热电偶的直径，重复步骤1）和步骤2），获得热电偶的插入深度、温度和直径的阶跃响应曲线，建立在不同热电偶直径条件下，相对误差与插入深度和温度之间的数学关系式、时间常数与插入深度和温度之间的数学关系式；从而很直观的看出热电偶插入深度、直径对热电偶测温性能的影响，对火力发电厂中不同的测温部位选择合理的热电偶温度传感器，以实现温度滞后的最小化有着一定的指导性作用。

2.4动态特性响应曲线

根据上述实验步骤，分别做了直径Ф=2 mm、Ф=3 mm、Ф=4mm、Ф=5 mm，温度点从室温分别到100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃时，插入深度与所测温度之间的阶跃响应曲线。

下面取一组实验数据，当温度为300 ℃时，热电偶的偶丝直径、插入深度与被测温度之间的阶跃响应曲线，如图2（a-d）所示。

从上述四组图像中可以看出：

1）阶跃响应曲线趋势一致；

2）热电偶的偶丝直径为过小时（Ф=2 mm），热电偶的阶跃曲线容易出现波动，误差比较大；

3）当Ф=4 mm、5 mm时，插入深度为2 cm已经不符合其安装规范，其响应曲线异于正常曲线，所测数据为错误数据；

4）时间常数随着温度阶跃变化量的增大，先呈现上升趋势，而后下降。

本次实验工作，完成了偶丝直径Ф=2 mm、Ф=3 mm、Ф=4 mm、Ф=5 mm，温度点从100 ℃、200 ℃、300 ℃、400 ℃的阶跃实验，所有这些实验数据趋势一致，与上面图例类似，由于篇幅所限，本文只选择其中一组进行分析与说明。

将上述数据带入上述相应数学表达式，计算E型待测热电偶的精度，符合其精度要求，说明上述数学模型可以方便快捷地验证所选热电偶精度、粗细、安装等是否合理，为电力生产过程中的E型热电偶的选型、安装提供了一定的理论与实验依据。

5结论

综上，本文以E型热电偶为研究对象，对直径为Ф=2 mm、Ф=3 mm、Ф=4 mm、Ф=5 mm的热电偶通过阶跃响应实验完成了数学模型的可视化研究，并验证了该数学模型的准确性，得出以下四点结论：

1）插入深度对测量误差的影响尤为明显，对于本文所用E型热电偶，其插入深度要求为直径的15～20倍，而文中热电偶插入深度为2 cm时，不符合安装规范，其相对误差也较大。

2）插入深度与相对误差并不成线性关系，而是相对误差随着插入深度先减小，后增大。

3）在允许测量范围内，热电偶测量的相对误差随着被测温度的升高而降低。

4）热电偶直径越小，显示温度越容易出现波动，越容易产生误差，对于系统稳定是不利的。

5）热电偶直径越小，时间常数越小；该热电偶的时间常数随温度阶跃变化量的增大，先呈上升趋势，而后又有所下降，随后呈现较大幅回升，预测变化趋势为随温度阶跃变化量逐渐升高。

参考文献

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