尋熱式熱電偶又稱連續(xù)熱電偶，是一種線式的溫度傳感器。上世紀(jì)80年代，美國就開發(fā)了一種線式溫敏超溫報警傳感器。它運用鎧裝工藝將多元系熱敏半導(dǎo)體材料和熱電材料完美地結(jié)合在一起，實現(xiàn)傳感器無固定熱接點功能。該傳感器具有其它傳感器無法比擬的優(yōu)點，是國內(nèi)外溫度測控領(lǐng)域重點發(fā)展的新型溫度傳感器。昌暉儀表制造有限公司尋熱式熱電偶性能指標(biāo)達到甚至優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。
目前，尋熱式熱電偶主要用于對企業(yè)的一些大型裝備進行表面溫度監(jiān)測及超溫報警。安全無小事，但是一旦發(fā)生事故，輕則造成設(shè)備的破壞，重則可能造成大量的人員傷亡，其后果往往不勘設(shè)想，蘭州石化練油廠的爆炸事故就是血的教訓(xùn)。表面溫度監(jiān)測及智能超溫報警系統(tǒng)的使用就會在事故出現(xiàn)的第一時間發(fā)出預(yù)警和報警信號，讓人們贏得充分時間來處理，以防止災(zāi)難性事故發(fā)生，確保人員及裝備安全。
一、尋熱式熱電偶
1、尋熱式熱電偶結(jié)構(gòu)
尋熱式熱電偶金屬保護管、熱電極和熱敏材料，經(jīng)鎧裝拉拔減徑工藝組裝制作而成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。最外層的鎧裝金屬保護管采用耐熱耐蝕合金，除了起到很好的保護作用外，還為電纜提供了足夠的機械強度和柔韌性，極大地方便了安裝和使用。熱電極采用K型熱電偶材料。熱電極之間緊密填充的隔離材料是用專門工藝制成的具有負(fù)電阻溫度系數(shù)(NTC)特性的熱敏材料，隨著溫度的升高，電阻急劇降低。此處的隔離材料并非始終起著絕緣作用，而是始終起到固定和隔開熱電極的作用。
圖1 尋熱式熱電偶結(jié)構(gòu)
2、尋熱式熱電偶工作原理
當(dāng)尋熱式熱電偶沿線某點(也可以是同溫度的多點或一段)的溫度T1超過沿線其余部分的溫度時，該點兩熱電極之間的熱敏材料的電阻就會降低，從而在T1點形成一個“臨時”測量端。此時兩熱電極之間產(chǎn)生一個和溫度T1相對應(yīng)的熱電勢。
圖2 尋熱式熱電偶測量設(shè)備溫度
如果熱敏電纜上有第二點出現(xiàn)更高的溫度T2(T2＞T1)，則T2點熱電極間熱敏材料的電阻就會降得比T1點更低，從而在T2點產(chǎn)生了一個新的“臨時”測量端(圖3)，舊的“臨時”測量端被取代，同時熱電極之間就輸出一個和溫度T2相對應(yīng)的熱電勢。總之，尋熱式熱電偶輸出熱電勢總是和其沿線上存在的最高溫度相對應(yīng)。
圖3 尋熱式熱電偶測量最高溫度
二、尋熱式熱電偶的特性
傳統(tǒng)的線式溫度傳感器由于其性能較差，使得在某些領(lǐng)域的應(yīng)用具有一定的局限性。如鎧裝式電阻型線式溫度傳感器誤差較大、鎧裝式熔鹽型線式溫度傳感器只能在固定溫度性能才發(fā)生突變、組裝式電阻型線式溫度傳感器抗振性能較差。而尋熱式熱電偶的應(yīng)用要求特殊，其的制作材料也特殊，并采用了鎧裝工藝，從而獲得了優(yōu)良的特性。
①尋熱式熱電偶熱電動勢-溫度特性(E-t特性)
尋熱式熱電偶與同型號(熱電極材料相同，即K型)常規(guī)的熱電偶不同，其熱端處的兩個熱電極沒有焊接在一起的，熱端之外的熱電極間也并非完全絕緣。所以，在測量同一溫度時，尋熱式熱電偶的輸出信號相對后者總要弱一些。圖4為熱敏電纜和常規(guī)K型熱電偶的E-t特性圖，可以看出，兩條線基本呈直線，且基本平行，其中，熱敏電纜的曲線略微偏下。因此，在最終的數(shù)據(jù)計算與轉(zhuǎn)換過程中，只需將曲線作平移處理即可。
圖4 尋熱式熱電偶熱電動勢-溫度特性(E-t特性)
②測溫功能良好
尋熱式熱電偶的兩個電極輸出的熱電勢總是和沿線上存在的最高溫度相對應(yīng)，是一種能夠檢測其沿線上存在的最高溫度的線型溫度傳感器。
③測溫面積大
一般的測溫元件，如鉑電阻、熱電偶、熱電阻等僅能測一個小區(qū)域(如一個點)的溫度，即“點”式測溫。但是在很多場合，需要對一條線或一個面等大范圍的溫場進行測溫，顯然用它們進行測溫是難以實現(xiàn)的。而尋熱式熱電偶為長度為3-40m的溫敏傳感器，使用該元件是很容易滿足要求的。尋熱式熱電偶兩個電極之間的電勢信號反映其沿線的最高溫度。如果把尋熱式熱電偶合理地布置在一區(qū)域內(nèi)(如一個面上)，那么由尋熱式熱電偶的輸出熱電勢反映出來的溫度可以認(rèn)為是該區(qū)域(如覆蓋面)內(nèi)存在的最高溫度。因此，使用尋熱式熱電偶進行測溫，大大增加了測溫面積。
④高可靠性
尋熱式熱電偶兩端補償導(dǎo)線的引出形式采用冗余結(jié)構(gòu)設(shè)計，即兩端引出式(圖5)，這種設(shè)計允許尋熱式熱電偶感溫段中間斷開1次仍可正常工作。補償導(dǎo)線與感溫段的連接采用防水連接件，這種結(jié)構(gòu)屬本安設(shè)計，防護等級高，可長期浸泡在水中使用，特別適合于環(huán)境復(fù)雜且惡劣的化工企業(yè)。
圖5 尋熱式熱電偶冗余結(jié)構(gòu)
⑤堅固耐用，壽命長
尋熱式熱電偶采用鎧裝結(jié)構(gòu)，既有較好的韌性，又有足夠的強度。測溫元件的外保護管采用Inconel 600合金加工而成，該合金具有耐熱耐蝕的良好性能，其長期使用溫度是800-950℃，極限溫度為1100℃。尋熱式熱電偶的連接件是專門針對化工行業(yè)而設(shè)計制造的，具有防水耐腐蝕的特點。從而，這些專業(yè)的設(shè)計保證了尋熱式熱電偶的良好質(zhì)量，安裝時可彎曲，彎曲半徑為50mm，而且?guī)缀醪恍枰粘＞S護保養(yǎng)，理論上尋熱式熱電偶平均壽命大于20年。
⑥設(shè)計簡單，使用方便
尋熱式熱電偶不需要外加的電源，以電纜兩極自身產(chǎn)生的電勢來驅(qū)動其它器件。美國進口尋熱式熱電偶必須經(jīng)過激活處理才能使用，而昌暉儀表制造有限公司設(shè)計開發(fā)的熱敏電纜安裝后直接正常使用，無需激活。所謂激活，就是通過加熱將尋熱式熱電偶內(nèi)部的潮氣烘出，需加熱1周左右。
三、尋熱式熱電偶的應(yīng)用
尋熱式熱電偶主要在表面溫度監(jiān)測與過溫報警和火災(zāi)探測兩個功能領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前，在表面溫度監(jiān)測與過溫報警系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛，主要應(yīng)用于一些具有大表面、長線度的大型甚至超大型設(shè)備表面溫度監(jiān)測與過溫預(yù)警和報警，往往這些設(shè)備都是某些行業(yè)的大型關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)備的安全運行已成企業(yè)的生命。另外，它還能應(yīng)用于某些特殊環(huán)境或空間的火災(zāi)探測與報警。
1、煤化工和石油化工行業(yè)中的應(yīng)用
氣化爐是最重要的大型設(shè)備之一，正常工作時爐內(nèi)溫度高達1300-1600℃，壓力3-9MPa。爐內(nèi)所襯耐火磚在高溫時會熔蝕，受熱氣體和熔渣的沖刷，耐火磚不斷變薄，許用應(yīng)力迅速下降，造成設(shè)備不安全，甚至?xí)斐蔂t毀人亡的慘劇。因此，為了保證氣化爐的正常運行和現(xiàn)場人員的人身安全，需要安裝表面溫度監(jiān)測與過溫預(yù)警和報警系統(tǒng)(圖6)，從而對氣化爐殼表面溫度進行實時監(jiān)測。
圖6 由尋熱式熱電偶構(gòu)成的表面測溫系統(tǒng)
尋熱式熱電偶應(yīng)用在氣化爐上時，它是按照一定的布線原則纏繞在氣爐爐殼外表面上的。布線密度合理，并能夠保證每一塊耐火磚上都有一支測溫電纜經(jīng)過。尋熱式熱電偶所產(chǎn)生的信號通過補償導(dǎo)線傳輸?shù)叫盘柌杉c處理模塊，經(jīng)過處理后，將數(shù)據(jù)傳達給位于安全區(qū)的DCS系統(tǒng)，從而達到表面溫度監(jiān)測與報警目的，并為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供參考。
2、電力行業(yè)中的應(yīng)用
空氣預(yù)熱器是發(fā)電企業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，其安全與否直接關(guān)系到整個企業(yè)的安全生產(chǎn)。預(yù)熱器內(nèi)著火時有發(fā)生，尤其是在機組啟動、熱備用期間，著火可能性更大。當(dāng)煙氣溫度和空氣溫度異常上升時，往往是預(yù)熱器發(fā)生火災(zāi)的前兆。但當(dāng)出現(xiàn)火災(zāi)時，為時已晚。為將火災(zāi)減小到最小程度，有必要采用預(yù)熱器溫度監(jiān)測系統(tǒng)。
尋熱式熱電偶溫度監(jiān)測系統(tǒng)能監(jiān)測預(yù)熱器內(nèi)部的溫度場分布，當(dāng)預(yù)熱器內(nèi)部溫度過高或偏離允許值，在火災(zāi)發(fā)生的早期，就能及時報警并產(chǎn)生消防動作。同時，當(dāng)預(yù)熱器內(nèi)部溫度低于正常運行溫度時，也給出相應(yīng)信號, 供運行人員及時調(diào)整預(yù)熱器運行狀況。從而確保了整個系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、可靠地運行。
3、冶金行業(yè)中的應(yīng)用
結(jié)晶器是連鑄生產(chǎn)中最關(guān)鍵的設(shè)備，其性能及運作的可靠性直接影響連鑄生產(chǎn)率及鑄坯質(zhì)量，甚至損壞鑄機。隨著連鑄的高速化發(fā)展，結(jié)晶器的使用壽命成為連鑄生產(chǎn)的一項重要開支。
在坯鋼連鑄生產(chǎn)中，結(jié)晶器的粘結(jié)性漏鋼是發(fā)生次數(shù)最多且危害性最大的一種，因此一些鋼鐵工業(yè)先進的國家都在致力于研究結(jié)晶器漏鋼預(yù)報技術(shù)。目前最為成熟的預(yù)報技術(shù)是在結(jié)晶器銅板內(nèi)埋入上百支熱電偶，通過對銅板溫度的綜合運算和邏輯判斷，測定是否發(fā)生漏鋼或粘著，并向操作者發(fā)出漏鋼預(yù)報信號。
尋熱式熱電偶作為一種線式溫度傳感器，僅需要在鋼板里埋幾支，同時可以在結(jié)晶器外表面分布幾支，再通過模塊采集，信號處理，顯示與報警，從而形成在線漏鋼預(yù)報系統(tǒng)。
4、物資儲運方面中的應(yīng)用
長期堆積在煤倉內(nèi)的煤炭, 時常發(fā)生自燃, 一方面給企業(yè)造成直接經(jīng)濟損失，另一方面自燃產(chǎn)生的有害氣體對周圍環(huán)境造成污染。為了預(yù)測煤堆自燃可能性，就需要安裝煤倉過熱監(jiān)測和安全保護系統(tǒng)。它是在煤堆中按照一定的需求或原則布設(shè)尋熱式熱電偶，通過準(zhǔn)確及時的監(jiān)控煤堆溫度分布與變化，從而達到預(yù)防預(yù)報煤堆自燃的目的。
處于自熱期的煤的氧化速度加快，穩(wěn)定的氧化物分解成水、二氧化碳和一氧化碳。當(dāng)超過臨界溫度Tc時，煤溫上升急劇加速，氧化進程加快。在這個過程中，煤倉實時溫度監(jiān)測系統(tǒng)就開始報警，從而在自燃前就可以采取相應(yīng)措施，避免事故發(fā)生。
5、火災(zāi)探測功能領(lǐng)域中應(yīng)用
在一些容易發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，低溫型火災(zāi)探測器是一種很好的感溫元件。如在列車電力機車中，機車能否正常運轉(zhuǎn)，取決于電器控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而機車電流接觸器又是這一系統(tǒng)的重要電器部件。但是接觸器頻繁開合，使其安全可靠性會有所降低，從而引起火災(zāi)，造成機車不能運轉(zhuǎn)甚至重大損失。為了能夠及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，使得人們在最短時間內(nèi)采取有效措施，在機車上安裝低溫型火災(zāi)檢測系統(tǒng)正好能夠解決這個問題。將低溫型火災(zāi)探測器鋪設(shè)在接觸器上方的位置，感溫線纜實時檢測環(huán)境溫度，只要該區(qū)域發(fā)生火災(zāi)，系統(tǒng)通過低溫型火災(zāi)探測器傳出的信號做出判斷并發(fā)出報警信號。
四、發(fā)展趨勢與前景
國產(chǎn)尋熱式熱電偶已經(jīng)達到甚至超過國外的技術(shù)水平，只是在表面溫度監(jiān)測及過溫報警系統(tǒng)中所采用的溫度變送器還在使用進口產(chǎn)品，因此，需要研制出適合該種尋熱式熱電偶的國產(chǎn)溫度變送器，并具有很好的穩(wěn)定性。
目前，表面溫度監(jiān)測及過溫報警系統(tǒng)已經(jīng)在我國大型煤化工行業(yè)氣化爐上得到了廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)的人員和財產(chǎn)安全提供了保障。尋熱式熱電偶在我國大型電站、光伏產(chǎn)業(yè)、軍工裝備、物資儲運等多個領(lǐng)域重大裝備上也有非常樂觀的應(yīng)用前景。除此之外，還可以廣泛應(yīng)用于核反應(yīng)堆、石油化工、飛機發(fā)動機、電力、冶金、通訊、糧食食品、造紙、印刷、蒸汽熱水泵等行業(yè)，其應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地開發(fā)，因而市場前景極大。
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