E型熱電偶動態(tài)響應(yīng)試驗方法及數(shù)學模型

摘要:采用工控機、DataAcquisition34970A數(shù)據(jù)采集儀與TP17650M干式爐設(shè)計了一套熱電偶動態(tài)響應(yīng)試驗系統(tǒng)。重點試驗研究了E型熱電偶在不同工作溫度下、不同偶絲直徑與不同置入深度對該溫度傳感器動態(tài)特性的影響;在此基礎(chǔ)上，采用MATLAB軟件對試驗數(shù)據(jù)進行了數(shù)學建模與研究，得出了E型熱電偶動態(tài)響應(yīng)數(shù)學模型，指出在實際測溫時應(yīng)該從工作溫度、安裝深度、熱電偶直徑等多方面進行選擇，以確保測溫的正確性和可靠性，間接地為該類型熱電偶在設(shè)置“單點”保護閾值方面提供了必要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)，同時也為其它標準熱電偶的動態(tài)響應(yīng)特性試驗和設(shè)置“單點”保護閾值方面提供了一定的借鑒作用。

0引言

熱電偶作為火電廠中常用的測溫裝置,測量的正確性與可靠性對于熱工過程的自動控制顯得重要，尤其是在DCS控制回路以及輔控系統(tǒng)里，溫度“單點’保護閾值設(shè)定的合理與否,會引起控制系統(tǒng)保護的“誤動”與“拒動”。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前火電廠中溫度“單點”保護閾值的設(shè)置值會從十幾度到幾十度甚至.上百度均有，沒有統(tǒng)一的參考與規(guī)范，同時這些隨意的設(shè)定值會導(dǎo)致溫度測量裝置的燒損、回路的異常等現(xiàn)象時有發(fā)生,進而造成溫度信號的失真”，引起機組的非計劃減出力或停運,給電力系統(tǒng)帶來巨大損失。

為此，不少業(yè)內(nèi)專家學者針對熱電偶測溫特性進行過相關(guān)動態(tài)試驗方法的設(shè)計與測試工作。上述研究與分析旨在解決熱電偶測溫時遇到的各種問題的困擾。本文基于現(xiàn)狀設(shè)計了一套溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)測試方案，通過該試驗平臺測試了在不同工作環(huán)境溫度下、不同偶絲直徑、不同置入深度下E型熱電偶的動態(tài)響應(yīng)特性，并且建立了相應(yīng)的數(shù)學模型，為該類型熱電偶在設(shè)置“單點”保護閾值方面提供了必要的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)作用。

試驗方案

1.1硬件設(shè)備

本次試驗采用DataAcquisition34970A數(shù)據(jù)采集儀、TP17650M校驗儀為標準熱源，通過工控機將該硬件進行連接,對E型熱電偶進行了試驗研究與分析。

1.2試驗系統(tǒng)

如圖1所示，設(shè)計該試驗系統(tǒng)。

如圖1所示，該動態(tài)響應(yīng)試驗系統(tǒng)包括熱標準源、被測熱電偶(E型熱電偶)、數(shù)據(jù)采集卡、安捷倫數(shù)據(jù)采集儀、電源和工控機。工控機通過RS-232串口與數(shù)據(jù)采集儀相連，通過工控機.上對應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，將試驗讀取的數(shù)據(jù)記錄在工控機中。

1.3試驗步驟

(1)校驗溫度:將E型熱電偶接入測試系統(tǒng)中，通過設(shè)定標準熱源溫度為100C、300C、500C與熱電偶實測溫度進行比較校驗，以保證熱電偶測溫的正確性;

(2)設(shè)定工作溫度:啟動熱源(干式校驗爐),將熱源的溫度設(shè)定為試驗所需的溫度值,將熱電偶置入熱源之中,監(jiān)測數(shù)據(jù)采集儀上顯示的溫度值,當熱電偶到達設(shè)定值之后，進行溫度突升、突降的“動態(tài)”試驗;

(3)數(shù)據(jù)采集:將工控機采集時間設(shè)置為1秒,在工控機頁面點擊“開始采集”按鈕,開始進行溫度突升、突降的“動態(tài)階躍”試驗,注意本試驗過程中,置入深度對熱電偶測溫的影響很大，因此在進行升溫、降溫實驗過程中，要始終控制保持熱電偶置入深度不變;

(4)“階躍”溫度突升試驗:在熱電偶到達設(shè)定值之后，將熱電偶取出使其冷卻到實驗溫度之后迅速置入爐中(模擬階躍信號的輸入),在此過程中密切監(jiān)視數(shù)據(jù)采集儀.上溫度的變化。在熱電偶回歸到設(shè)定值并穩(wěn)定之后，點擊工控機頁面“停止采集”按鈕，保存實驗數(shù)據(jù);

(5)“階躍”溫度突降試驗:在熱電偶到達設(shè)定值之后，改變熱源的設(shè)定值到實驗值,開始降溫。在熱電偶達到實驗值并穩(wěn)定之后，點擊工控機頁面“停止采集按鈕，保存實驗數(shù)據(jù);

(6)改變熱標準源的溫度設(shè)定值,在不同的溫度設(shè)定值下進行溫度“階躍”試驗，并且對每一-個溫度的“階躍”,改變熱電偶置入干式爐的深度,重復(fù)步驟2,對熱電偶進行溫度突升、突降的“階躍”試驗，以便得到E型熱電偶的階躍響應(yīng)曲線以及數(shù)學模型。

2階躍響應(yīng)特性研究

2.1“階躍”試驗?zāi)Ｐ?/span>

根據(jù)試驗步驟,以E型熱電偶為例，正常工作溫度分別設(shè)置在200C、300C、400C、500C以及550C，階躍溫度變化在+10C和+15C,置入深度分別在5cm、8cm、11cm以及14cm時;首先將試驗采集到階躍溫度數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集卡讀取到工控機中，一共獲取幾萬組數(shù)據(jù)，再將該數(shù)據(jù)讀取到MATLAB中,通過MATLAB對得到的實驗數(shù)據(jù)進行提取、分離出時間量與溫度量,通過擬合公式以獲得響應(yīng)時間與溫度變化之間的關(guān)系。該過程擬合了80個公式，20張動態(tài)響應(yīng)曲線圖，現(xiàn)以工作溫度為300C時動態(tài)試驗進行說明,以表1所示。同時，根據(jù)表1繪制了其對應(yīng)的階躍響應(yīng)曲線，為了方便比較,這里將同一溫度,同一階躍溫度的曲線放在一起，以響應(yīng)時間為橫坐標，以熱電偶測量溫度為縱坐標繪制階躍響應(yīng)曲線，如圖2所示。

2.2“動態(tài)”試驗分析

從E型熱電偶溫度設(shè)定值為300C的動態(tài)響應(yīng)曲線來看,可以獲知以下幾點結(jié)論:

(1)“動態(tài)”升溫實驗中，熱電偶升溫趨勢一致;隨著插入深度的增加，熱電偶升溫的響應(yīng)時間減少;插入深度為14cm時響應(yīng)時間最短;階躍溫度為15C時比階躍溫度為10C時的響應(yīng)時間要短;

(2)降溫實驗中,隨著置入深度的增加，熱電偶的響應(yīng)時間基本保持不變;階躍溫度為15C時比階躍溫度為10C時的響應(yīng)時間要短;

(3)置入深度為5cm時,測量誤差較大;

(4)測溫曲線后期不穩(wěn)定，會出現(xiàn)曲線波動情況。

由此可以看出，當使用該熱電偶測溫時，隨著安裝地點與被測溫度點的不同，最大溫升率閾值的設(shè)置也要根據(jù)具體情況來設(shè)置，否則如果設(shè)定不當，則會引起控制系統(tǒng)誤動作,進而引起機組的非計劃停機。

3數(shù)學建模

3.1溫度、響應(yīng)時間與置入深度間的關(guān)系

為了建立響應(yīng)時間與置入深度以及工作溫度之間.的關(guān)系，需要對實驗得到的數(shù)據(jù)進行三維擬合,讀出熱電偶在不同的階躍溫度下、不同深度以及不同溫度設(shè)定值的響應(yīng)時間的變化趨勢及規(guī)律。由表2所示。

表2E型熱電偶響應(yīng)時間數(shù)據(jù)表

溫度/℃	深度/cm	階躍溫度+10℃響應(yīng)時間/s	階躍溫度+15℃響應(yīng)時間/s	階躍溫度－15℃響應(yīng)時間/s	階躍溫度－10℃響應(yīng)時間/s
200	5	260	323	443	425
200	8	149	314	482	463
200	11	217	296	472	420
200	14	183	53	469	362
300	5	215	302	469	414
300	8	223	231	429	385
300	11	115	146	388	344
300	14	75	91	402	333
400	5	196	257	416	444
400	8	240	253	398	398
400	11	215	244	399	362
400	14	278	219	358	300
500	5	219	208	414	357
500	8	147	204	416	367
500	11	150	106	278	287
500	14	154	154	292	320
550	5	155	337	320	281
550	8	267	194	335	364
550	11	59	291	458	285
550	14	280	291	276	257

根據(jù)上表，可以得出表3所示的公式。

3.2分析與討論

根據(jù)公式及擬合圖像分析，可以得出下面四點結(jié)論：

(1)階躍溫度為+10C:

①在溫度為200C、300C時,隨著深度的增加，響應(yīng)時間先減小后增加;在溫度段為400C、500C、550C時，隨著插入深度的增加，響應(yīng)時間先增加后減小最后又增加。

②在置入深度為5cm時，隨著溫度設(shè)定值增加,響應(yīng)時間減小;在置入深度為8cm時，隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間先增加后減小;置入深度為11em時,隨著溫度設(shè)定值增加,響應(yīng)時間減小;插入深度為14cm時，隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間先減小后增加。

(2)階躍溫度為+15C:

①在溫度段為200C、300C、400C時，隨著深度的增加,響應(yīng)時間減小;在溫度段為500C、550C時,隨著插入深度的增加，響應(yīng)時間先減小后增加。

②在插入深度為5cm、8cm、11cm時，隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間先減小后增加;在插入深度為14cm時，隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間增加。.

(3)階躍溫度為-15C:

①在溫度段為200C、300C時，隨著深度的增加，響應(yīng)時間基本保持不變;在溫度段為400C、500C時，隨著置入深度的增加，響應(yīng)時間減小;在溫度段為550C時，隨著置入深度的增加，響應(yīng)時間先增加后減小;

②在插入深度為5cm、8cm時,隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間減小;在插入深度為11cm時，隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間先減小后增加;在插入深度為14cm時,隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間減小。

(4)階躍溫度為-10C:

①在溫度段為200C、300C時，隨著深度的增加，響應(yīng)時間先增加后減小;在溫度段為400C、500C、550C時，隨著插入深度的增加,響應(yīng)時間先增加后減小再增加;

②在置入深度為5cm時，隨著溫度設(shè)定值增加,響應(yīng)時間先增加后減小;在置入深度為8cm、11cm、14cm時，隨著溫度設(shè)定值增加，響應(yīng)時間減小。

4結(jié)論

綜上，設(shè)計了溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)試驗方案,并以E型熱電偶為研究對象，在該平臺上完成了試驗工作,對不同工作溫度下、置入深度、動態(tài)響應(yīng)時間它們?nèi)咧g的關(guān)系進行了數(shù)學建模的研究與分析，得出以下三點結(jié)論:

(1)在相同溫度下，“動態(tài)階躍”升溫時，隨著置入深度的增加，E型熱電偶的響應(yīng)時間先減小后增加，故要求在進行熱電偶安裝時，需要注意置入深度“動態(tài)階躍”降溫時,E型熱電偶的響應(yīng)時間基本保持不變。同時，“動態(tài)階躍”溫度值越大(突升或突降變化值)，響應(yīng)時間越短,此時需要充分考慮安裝地點與被測溫度不同時，“閾值”的設(shè)定要根據(jù)現(xiàn)場情況而定，否則會引起控制系統(tǒng)誤動作;

(2)被測溫度不同時,在“動態(tài)階躍”升溫或降溫時，隨著置入深度的不同“階躍”響應(yīng)時間趨勢也不同;同時置入深度不同時，“階躍”響應(yīng)時間趨勢也不同,故有響應(yīng)時間,為設(shè)置“閾值”提供理論依據(jù),因而在安裝時，需要根據(jù)被測溫度范圍與安裝要求進行“閾值”設(shè)定;

(3)數(shù)學模型的建立方法,對其它相關(guān)熱電偶的動態(tài)特性試驗有一定借鑒作用，同時也為其它溫度傳感器.的動態(tài)試驗?zāi)Ｐ妥鞒隽讼嚓P(guān)參考。