非金屬熱電偶在高溫探測(cè)中的應(yīng)用

摘要:介紹了高溫測(cè)量中傳統(tǒng)溫度傳感器的缺陷,提出了一種新型的非金屬溫度傳感器一石墨纖維熱電偶,并對(duì)該傳感器的特性、加工方式、應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行了分析。設(shè)計(jì)了溫度傳感器的放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字化處理的硬件電路,并采用分段曲線擬合方法對(duì)傳感器的非線性進(jìn)行了校正,從而使傳感器在較大的測(cè)量區(qū)間內(nèi)具有良好的可靠性。從理論上分析,該傳感器測(cè)量溫度高達(dá)3000℃以上,解決了高溫環(huán)境下鋼水溫度的連續(xù)測(cè)量問題.
　　在冶金、鋼鐵、建筑材料、化工等眾多行業(yè)中,溫度是確保順利生產(chǎn)和質(zhì)量控制的重要參數(shù)。溫度測(cè)量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量與生產(chǎn)成本。因此，準(zhǔn)確地進(jìn)行生產(chǎn)過程的溫度測(cè)量,對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)的正常進(jìn)行意義重大。在熱工生產(chǎn)中,鋼、鐵在熔融狀態(tài)下，溫度達(dá)到1200℃以上,主要測(cè)量方法有接觸式的鉑銠金屬熱電偶溫度計(jì)和非接觸式的紅外輻射溫度計(jì)。紅外輻射溫度計(jì)是利用測(cè)量高溫物體的熱輻射獲得溫度值,其溫度采集主要利用光學(xué)方法,通過光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)采集和傳送被測(cè)溫區(qū)的輻射能,通過亮度、色度比較方法確定被測(cè)物體的溫度,但測(cè)量精度不如接觸測(cè)量。鉑銠熱電偶以其測(cè)溫精度高、熱電互換性好、材質(zhì)抗氧化等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用,其中B型鉑銠熱電偶被選定為國際溫標(biāo)基準(zhǔn)測(cè)溫儀器。實(shí)踐發(fā)現(xiàn),采用鉑銠30/6熱電偶雖然可連續(xù)測(cè)量鋼水溫度3~4h,但測(cè)量時(shí)間受限于保護(hù)器材和裝備的穩(wěn)定性,且不應(yīng)在還原性氣氛和含有金屬及非金屬蒸氣的氣氛中使用，也不應(yīng)在沒有可靠保護(hù)時(shí)使用。由此可見，鉑銠熱電偶的不足:①材質(zhì)熔點(diǎn)低，不耐高溫;②性能嬌貴不耐腐蝕,尤其在高溫應(yīng)用中,熱電偶保護(hù)套管經(jīng)常損壞,使昂貴的鉑銠熱電極很快被熔融金屬、爐渣、酸、堿、鹽液體及硅、硫、碳、氟、氯等腐蝕性較強(qiáng)氣體腐蝕壞;③不耐老化、易斷、易丟失、使用范圍小;④資源短缺、成本昂貴。鉑銠高純材料是單一金屬造價(jià)最高的物質(zhì),高純鉑銠絲每克重達(dá)數(shù)百元，我國用料多靠進(jìn)口。根據(jù)市場(chǎng)需求分析,目前,鋼水包內(nèi)鋼水、工頻加熱爐內(nèi)鐵水的溫度測(cè)量仍用快速熱電偶完成,每次測(cè)溫消耗一只,每個(gè)爐子每年消耗10萬元以上的熱電偶，因此，選用一種性能可靠、損耗小的測(cè)溫儀是很有必要的。
　　石墨纖維熱電偶以石墨纖維為敏感元件,利用熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量。它屬于人工合成非金屬熱電偶,呈線狀黑亮體、柔軟可撓、質(zhì)輕不嬌。原材料為聚丙烯腈碳纖維,向正極中滲硼,再經(jīng)3600℃高溫石墨化燒成。在燒成過程中硼原子擴(kuò)散到石墨晶.格中,取代碳原子質(zhì)點(diǎn)形成替位式半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),使碳纖維高度石墨化,微觀結(jié)構(gòu)發(fā)育完善,晶格形狀穩(wěn)定。該電偶只要在低于燒成溫度下測(cè)溫,熱電性能十分穩(wěn)定。與鉑銠熱電偶相比,石墨纖維熱電偶具有以下優(yōu)點(diǎn):①耐高溫。由于燒成溫度高達(dá)3600°C,因此可以測(cè)量3000℃以上高溫。②材質(zhì)抗腐蝕性增強(qiáng)。尤其在高溫應(yīng)用中不怕熔融金屬、熔渣、液體酸堿鹽及硅、氯、硫、碳、氟等元素氣體的強(qiáng)腐蝕作用。③原材料成本低。每克石墨纖維成本不足一元。④耐老化,不易脆斷,靈敏度較高。鑒于以上分析,選用石墨纖維熱電偶進(jìn)行鋼水溫度測(cè)量是完全可行的。
1石墨纖維熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)的組成
　　石墨纖維熱電偶傳感器一般做成棒型,其整體主要由熱電極、絕緣管、保護(hù)管、接線盒等幾部分組成,其中熱電極是用石墨纖維材料制成的,屬于測(cè)溫的敏感元件。熱電偶的輸出信號(hào)經(jīng)過溫度送變器轉(zhuǎn)變成4~20mA的直流電壓信號(hào)。由于溫度測(cè)量是.在條件較惡劣的環(huán)境下進(jìn)行,存在著較強(qiáng)的電磁干擾，因此，傳感器信號(hào)須經(jīng)過濾波后再由前置模擬電路進(jìn)行放大,并通過濾波器后得到模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要的電壓信號(hào)。單片機(jī)獲得溫度信息后,再根據(jù)事先設(shè)定的修正模式及參數(shù)經(jīng)過運(yùn)算處理后,得到被測(cè)的溫度數(shù)據(jù),由單片機(jī)根據(jù)用戶的操作將溫度數(shù)據(jù)輸出到數(shù)碼管直接顯示、或由微型打印機(jī)打印、或者通過D/A轉(zhuǎn)換以電流形式輸出給監(jiān)控儀表,也可以由串行通訊接口上傳給微機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的分析與控制[4]。其測(cè)量結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
 
　　在此選用AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)作為信號(hào)控制單元,它是一個(gè)低電壓、高性能的8bit單片機(jī),片內(nèi)含8kbyte的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器和256byte的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,該器件采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),片內(nèi)置通用8bit中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元,內(nèi)含2個(gè)外中斷口,2個(gè)全雙工串行通信口,可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程,也可以在線編程。將其通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起,特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本,因此適用于許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用。
　　模數(shù)轉(zhuǎn)換選用美國Intersi公司生產(chǎn)的一種高.精度、低噪聲、低漂移、價(jià)格低的雙積分式12bi-tA/D轉(zhuǎn)換器ICL7109,它配有較強(qiáng)的接口功能，能方便地與AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)相連，其轉(zhuǎn)換方式.既可以連續(xù)轉(zhuǎn)換,也可以由外部時(shí)間控制。D/A轉(zhuǎn)換器選用分辨率為12bit的AD7521,功耗低,輸出電流穩(wěn)定時(shí)間短,采用兩級(jí)緩沖可以有效地避免輸出電壓出現(xiàn)毛刺現(xiàn)象。同時(shí)對(duì)鍵盤顯示采用了BC7281A進(jìn)行管理，它可以驅(qū)動(dòng)128段LED顯示及64鍵鍵盤,且驅(qū)動(dòng)輸出極性與輸出時(shí)序均為軟件可控,從而可以和各種外部電路配合。考慮到單片機(jī)系統(tǒng)與PC機(jī)之間的距離較遠(yuǎn),不便采用并行數(shù)據(jù)通訊,采用了RS-232C串行通訊接口,通訊距離可長達(dá)15m,傳輸速率最大為20kB/s。
　　采用石墨纖維熱電偶溫度傳感器,既可以對(duì)溫度進(jìn)行間斷測(cè)量,也可對(duì)鋼水的溫度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，并實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果。這樣便為實(shí)現(xiàn)煉鋼生產(chǎn)閉環(huán)控制提供了有力的保證,對(duì)提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量有直接意義,因此有可能成為取代現(xiàn)行的一次性偶頭間斷測(cè)溫的定向化產(chǎn)品。該系統(tǒng)不僅具備連續(xù)測(cè)溫的特點(diǎn),同時(shí)融合了接觸式測(cè)溫準(zhǔn)確可靠和非接觸式測(cè)溫成本低的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)投入使用,將創(chuàng)造巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
2熱電偶熱電勢(shì)一溫度關(guān)系線性化
　　利用石墨纖維熱電偶溫度傳感系統(tǒng),對(duì)鋼水的溫度進(jìn)行了測(cè)量,獲得了最高溫度為1300℃的相關(guān)數(shù)據(jù)。圖2、圖3、圖4分別給出了不同熱電偶的輸出電壓隨溫度變化的關(guān)系,從中可以看出,在溫度較低的區(qū)域內(nèi),曲線的線性較好,當(dāng)溫度較高時(shí)，曲線出現(xiàn)明顯的非線性。以P,N、PrNz、PzN3型傳感器為例,在100C~700℃溫度區(qū)間非線性誤差很小,通常為1.9%;而在700℃~1300℃溫度區(qū)間內(nèi)非線性誤差十分明顯,高達(dá)12%。如此嚴(yán)重的非線性誤差是無法達(dá)到測(cè)量要求的，必須對(duì)溫度傳感器進(jìn)行線性化校正。
　　非線性誤差的校正方法很多,有硬件補(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法。硬件補(bǔ)償可以采用不同增益的運(yùn)算放大器或可變電壓源電橋;軟件補(bǔ)償法包括函數(shù)運(yùn)算法、擬合法等,一般由函數(shù)運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。相比較而言，軟件補(bǔ)償法更具有通用性,為了確保溫度測(cè)量在整個(gè)的測(cè)量范圍內(nèi)都有較高的精度,在傳感器的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中采用函數(shù)擬合的方法來推算出傳感器的輸人、輸出關(guān)系,然后再通過對(duì)實(shí)測(cè)值進(jìn)行選定函數(shù)的數(shù)值計(jì)算,求得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。
 
　　將熱電偶的熱電勢(shì)公式用冪級(jí)數(shù)展開:
E(T)=β0+β1T+β2T²+...+βnTⁿ(1)
　　用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算可求得β0~βn。但在實(shí)際測(cè)量時(shí),都是由測(cè)得的熱電勢(shì)E(T)求得溫度T，況且從圖2、圖3、圖4的特性曲線上看出,在不同的溫度區(qū)間內(nèi),非線性程度不同,為此采用最小二乘法進(jìn)行折線分段擬合,根據(jù)石墨纖維熱電偶的輸出特性,將100C~1300℃范圍分成兩個(gè)段,擬合公式如下:
T=λ0十λ1E+...+λmE^m(2)
　　用這種方法，可由測(cè)得的熱電勢(shì)值直接算出被測(cè)溫度,并可方便地實(shí)現(xiàn)測(cè)控。以圖2的熱電偶為例,取m=2,在100C~700℃區(qū)間,求得擬合系數(shù)與擬合公式為:
λo=41.1107
λ1=24.2708
λ2=0.091
T1=41.1107+24.2708E+0.091E²(3)
　　同理,在700℃~1300℃區(qū)間內(nèi),求得擬合系數(shù)與擬合公式為:
λ0=1241.2479λ1=-67.2466λ2=1.8414
T2=1241.2479一67.2466E+1.8414E²(4)
　　圖5、圖6、圖7分別為PN、P2N2、P3N3型傳感器的擬合曲線,其中P1N、P2N2型傳感器擬合溫度誤差如表1、表2所示。從表中可以看出，除個(gè)別點(diǎn)外,計(jì)算溫度值與實(shí)際溫度的誤差大都在1%以內(nèi),完全達(dá)到了測(cè)量要求.
 
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
　　測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要完成對(duì)信號(hào)的采集、處理、數(shù)據(jù)傳輸、信息輸入與溫度顯示等功能,見圖8。它由兩部分組成:單片機(jī)部分主要完成信號(hào)的采集、系統(tǒng)的外部接口、控制功能;主要包括A/D采集和轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、顯示模塊以及鍵盤輸人處理模塊。PC機(jī)部分則將單片機(jī)傳送來的各種數(shù)據(jù)通過一系列修正模型計(jì)算出溫度,然后將結(jié)果返回給單片機(jī)。這樣將原本由一個(gè)單片機(jī)處理需要花費(fèi)很長時(shí)間的數(shù)學(xué)模型計(jì)算交給PC機(jī),讓二者各取所長,使得整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算溫度的速度大大提高,提高了測(cè)溫儀的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性。為了便于溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),將A/D轉(zhuǎn)換器設(shè)置為連續(xù)轉(zhuǎn)換方式，系統(tǒng)軟件主體流程如圖8所示。
 
4結(jié)論
　　由此可見，基于石墨纖維傳感器的鋼水溫度連續(xù)測(cè)量系統(tǒng),兼有接觸式測(cè)溫的準(zhǔn)確性和非接觸式測(cè)溫成本低的優(yōu)點(diǎn)。用簡單低的非金屬材料代替昂貴的鉑銠熱電偶的偶頭間斷測(cè)溫方式,實(shí)現(xiàn)了鋼水溫度的連續(xù)測(cè)量。由于該測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量位置固定,避免了快速偶頭因制作質(zhì)量和人為插人深度不同而造成的分散性誤差。由于采用了分段式的數(shù)據(jù)擬合,使得測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性有了保障。同時(shí)由于傳感器的抗干擾性強(qiáng),整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量,且測(cè)溫儀壽命增長。該裝置操作簡單方便,具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。