E型熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)方法及數(shù)學(xué)模型

摘要:采用工控機(jī)、DataAcquisition34970A數(shù)據(jù)采集儀與TP17650M干式爐設(shè)計(jì)了一套熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)。重點(diǎn)試驗(yàn)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(duì)該溫度傳感器動(dòng)態(tài)特性的影響;在此基礎(chǔ)上，采用MATLAB軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與研究，得出了E型熱電偶動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)學(xué)模型，指出在實(shí)際測(cè)溫時(shí)應(yīng)該從工作溫度、安裝深度、熱電偶直徑等多方面進(jìn)行選擇，以確保測(cè)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(diǎn)”保護(hù)閾值方面提供了必要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)，同時(shí)也為其它標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性試驗(yàn)和設(shè)置“單點(diǎn)”保護(hù)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(cè)溫裝置,測(cè)量的正確性與可靠性對(duì)于熱工過程的自動(dòng)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(diǎn)’保護(hù)閾值設(shè)定的合理與否,會(huì)引起控制系統(tǒng)保護(hù)的“誤動(dòng)”與“拒動(dòng)”。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前火電廠中溫度“單點(diǎn)”保護(hù)閾值的設(shè)置值會(huì)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(shí)這些隨意的設(shè)定值會(huì)導(dǎo)致溫度測(cè)量裝置的燒損、回路的異常等現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,進(jìn)而造成溫度信號(hào)的失真”，引起機(jī)組的非計(jì)劃減出力或停運(yùn),給電力系統(tǒng)帶來巨大損失。

為此，不少業(yè)內(nèi)專家學(xué)者針對(duì)熱電偶測(cè)溫特性進(jìn)行過相關(guān)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)與測(cè)試工作。上述研究與分析旨在解決熱電偶測(cè)溫時(shí)遇到的各種問題的困擾。本文基于現(xiàn)狀設(shè)計(jì)了一套溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試方案，通過該試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并且建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，為該類型熱電偶在設(shè)置“單點(diǎn)”保護(hù)閾值方面提供了必要的理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)作用。

試驗(yàn)方案

1.1硬件設(shè)備

本次試驗(yàn)采用DataAcquisition34970A數(shù)據(jù)采集儀、TP17650M校驗(yàn)儀為標(biāo)準(zhǔn)熱源，通過工控機(jī)將該硬件進(jìn)行連接,對(duì)E型熱電偶進(jìn)行了試驗(yàn)研究與分析。

1.2試驗(yàn)系統(tǒng)

如圖1所示，設(shè)計(jì)該試驗(yàn)系統(tǒng)。

如圖1所示，該動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)系統(tǒng)包括熱標(biāo)準(zhǔn)源、被測(cè)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(jī)。工控機(jī)通過RS-232串口與數(shù)據(jù)采集儀相連，通過工控機(jī).上對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集軟件，將試驗(yàn)讀取的數(shù)據(jù)記錄在工控機(jī)中。

1.3試驗(yàn)步驟

(1)校驗(yàn)溫度:將E型熱電偶接入測(cè)試系統(tǒng)中，通過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)熱源溫度為100C、300C、500C與熱電偶實(shí)測(cè)溫度進(jìn)行比較校驗(yàn)，以保證熱電偶測(cè)溫的正確性;

(2)設(shè)定工作溫度:啟動(dòng)熱源(干式校驗(yàn)爐),將熱源的溫度設(shè)定為試驗(yàn)所需的溫度值,將熱電偶置入熱源之中,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集儀上顯示的溫度值,當(dāng)熱電偶到達(dá)設(shè)定值之后，進(jìn)行溫度突升、突降的“動(dòng)態(tài)”試驗(yàn);

(3)數(shù)據(jù)采集:將工控機(jī)采集時(shí)間設(shè)置為1秒,在工控機(jī)頁面點(diǎn)擊“開始采集”按鈕,開始進(jìn)行溫度突升、突降的“動(dòng)態(tài)階躍”試驗(yàn),注意本試驗(yàn)過程中,置入深度對(duì)熱電偶測(cè)溫的影響很大，因此在進(jìn)行升溫、降溫實(shí)驗(yàn)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(yàn):在熱電偶到達(dá)設(shè)定值之后，將熱電偶取出使其冷卻到實(shí)驗(yàn)溫度之后迅速置入爐中(模擬階躍信號(hào)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(diǎn)擊工控機(jī)頁面“停止采集”按鈕，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);

(5)“階躍”溫度突降試驗(yàn):在熱電偶到達(dá)設(shè)定值之后，改變熱源的設(shè)定值到實(shí)驗(yàn)值,開始降溫。在熱電偶達(dá)到實(shí)驗(yàn)值并穩(wěn)定之后，點(diǎn)擊工控機(jī)頁面“停止采集按鈕，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);

(6)改變熱標(biāo)準(zhǔn)源的溫度設(shè)定值,在不同的溫度設(shè)定值下進(jìn)行溫度“階躍”試驗(yàn)，并且對(duì)每一-個(gè)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(duì)熱電偶進(jìn)行溫度突升、突降的“階躍”試驗(yàn)，以便得到E型熱電偶的階躍響應(yīng)曲線以及數(shù)學(xué)模型。

2階躍響應(yīng)特性研究

2.1“階躍”試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/span>

根據(jù)試驗(yàn)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(shí);首先將試驗(yàn)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(jī)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(duì)得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分離出時(shí)間量與溫度量,通過擬合公式以獲得響應(yīng)時(shí)間與溫度變化之間的關(guān)系。該過程擬合了80個(gè)公式，20張動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線圖，現(xiàn)以工作溫度為300C時(shí)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行說明,以表1所示。同時(shí)，根據(jù)表1繪制了其對(duì)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(shí)間為橫坐標(biāo)，以熱電偶測(cè)量溫度為縱坐標(biāo)繪制階躍響應(yīng)曲線，如圖2所示。

2.2“動(dòng)態(tài)”試驗(yàn)分析

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

(1)“動(dòng)態(tài)”升溫實(shí)驗(yàn)中，熱電偶升溫趨勢(shì)一致;隨著插入深度的增加，熱電偶升溫的響應(yīng)時(shí)間減少;插入深度為14cm時(shí)響應(yīng)時(shí)間最短;階躍溫度為15C時(shí)比階躍溫度為10C時(shí)的響應(yīng)時(shí)間要短;

(2)降溫實(shí)驗(yàn)中,隨著置入深度的增加，熱電偶的響應(yīng)時(shí)間基本保持不變;階躍溫度為15C時(shí)比階躍溫度為10C時(shí)的響應(yīng)時(shí)間要短;

(3)置入深度為5cm時(shí),測(cè)量誤差較大;

(4)測(cè)溫曲線后期不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)曲線波動(dòng)情況。

由此可以看出，當(dāng)使用該熱電偶測(cè)溫時(shí)，隨著安裝地點(diǎn)與被測(cè)溫度點(diǎn)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(dāng)，則會(huì)引起控制系統(tǒng)誤動(dòng)作,進(jìn)而引起機(jī)組的非計(jì)劃停機(jī)。

3數(shù)學(xué)建模

3.1溫度、響應(yīng)時(shí)間與置入深度間的關(guān)系

為了建立響應(yīng)時(shí)間與置入深度以及工作溫度之間.的關(guān)系，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)間的變化趨勢(shì)及規(guī)律。由表2所示。

表2E型熱電偶響應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)表

溫度/℃	深度/cm	階躍溫度+10℃響應(yīng)時(shí)間/s	階躍溫度+15℃響應(yīng)時(shí)間/s	階躍溫度－15℃響應(yīng)時(shí)間/s	階躍溫度－10℃響應(yīng)時(shí)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(diǎn)結(jié)論：

(1)階躍溫度為+10C:

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

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

(2)階躍溫度為+15C:

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

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

(3)階躍溫度為-15C:

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

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

(4)階躍溫度為-10C:

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

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

4結(jié)論

綜上，設(shè)計(jì)了溫度傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)方案,并以E型熱電偶為研究對(duì)象，在該平臺(tái)上完成了試驗(yàn)工作,對(duì)不同工作溫度下、置入深度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間它們?nèi)咧g的關(guān)系進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模的研究與分析，得出以下三點(diǎn)結(jié)論:

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

(2)被測(cè)溫度不同時(shí),在“動(dòng)態(tài)階躍”升溫或降溫時(shí)，隨著置入深度的不同“階躍”響應(yīng)時(shí)間趨勢(shì)也不同;同時(shí)置入深度不同時(shí)，“階躍”響應(yīng)時(shí)間趨勢(shì)也不同,故有響應(yīng)時(shí)間,為設(shè)置“閾值”提供理論依據(jù),因而在安裝時(shí)，需要根據(jù)被測(cè)溫度范圍與安裝要求進(jìn)行“閾值”設(shè)定;

(3)數(shù)學(xué)模型的建立方法,對(duì)其它相關(guān)熱電偶的動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)有一定借鑒作用，同時(shí)也為其它溫度傳感器.的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鞒隽讼嚓P(guān)參考。