热电偶测温原理是基于赛贝尔效应, 即两种不同成分的导体两端相连构成回路, 若两连接端温度不同, 则在回路内产生热电流, 形成热电势。这个回路产生的热电势由接触电势和温差电势组成。

由于导体材料一定, 热电偶产生的热电势实际上是热电偶两端温度的函数, 而且只与温度有关。如果热电偶一端温度恒定不变, 那么根据所测到的热电偶的电势就可以推知热电偶测量端的电势。

常用的热电偶是由热电极 (热偶丝) 、绝缘材料 (绝缘管) 和保护套管等部分构成的。图1所示为工业热电偶结构示意图。

常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶有国家标准的热电势与温度、容许的误差、标准分度表等。我国从1988年1月1日起, 热电偶全部按IEC国标生产, 并指定S、R、B、K、E、J、T 7种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。非标准型热电偶则一般用于特殊场合, 国家并没有统一制定严格的标准。

具体选型流程为:型号的选择—分度号的选择—防爆等级的选择—精度等级的选择—安装固定形式的选择—保护管材质的选择—长度或插入深度的选择。

在选择热电偶的时候, 要根据所要求的使用温度范围、所需精度、使用气氛、测定对象的性能、响应时间和经济效益等综合因素进行参考。

(1) 选择测量精度和温度测量范围。使用温度在1300℃~1800℃, 要求精度比较高时, 一般选用B型热电偶;要求精度不高, 气氛又允许可用钨铼热电偶, 高于1800℃一般选用钨铼热电偶;使用温度在1000℃~1300℃要求精度又比较高可用S型热电偶和N型热电偶;在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶, 低于400℃一般用E型热电偶;250℃以下及负温测量一般用T型电偶, 在低温时T型热电偶稳定而且精度高。

(2) 使用环境气氛的选择。S型、B型、K型热电偶适合于强的氧化和弱的还原气氛中使用, J型和T型热电偶适合于弱氧化和还原气氛, 若使用气密性比较好的保护管, 对气氛的要求就不太严格。

(3) 选择耐久性及热响应性。线径大的热电偶耐久性好, 但响应较慢一些, 对于热容量大的热电偶, 响应就慢, 测量梯度大的温度时, 在温度控制的情况下, 控温就差。要求响应时间快又要求有一定的耐久性, 选择铠装热电偶比较合适。

(4) 测量对象的性质和状态对热电偶的选择。运动物体、振动物体、高压容器的测温要求机械强度高, 有化学污染的气氛要求有保护管, 有电气干扰的情况下要求绝缘比较高。

测量介质温度的热电偶通常采用插入式安装方法, 配保护套管和固定装置, 保护套管直接与被测介质接触。

根据固定装置结构的不同, 一般采用以下几种安装形式:

1) 固定装置为固定螺纹的热电偶, 可将其固定在有内螺纹的插座内, 它们之间的垫片作密封用。

2) 固定装置采用活动紧固装置, 如无固定装置的热电偶 (需另外加工一套活动紧固装置) , 其安装形式如图2所示。热电偶安装前缠绕石棉绳, 由紧固座和紧固螺母压紧石棉绳, 以固定热电偶。这种形式只适用于工作压力为常压的情况下, 其优点是插入深度可调。

3) 固定装置为法兰的热电偶, 可将其法兰与固定在短管上的法兰用螺栓紧固, 他们之间的垫片做密封用。其安装形式如图3所示。

4) 保护套管采用焊接的安装方式

用于测量高温高压主蒸汽管蒸汽温度的铠装热电偶, 采用焊接套管短插的安装方式。

电站专用的中温中压和高温高压热电偶, 其保护套管采用焊接安装方式。

热套热电偶的焊接为使热电偶的三角锥面能可靠地支撑在管壁孔上, 可在管壁上先钻一个φ38的孔, 再扩大到φ42并要求同心, 扩孔深度从内壁起到φ42孔底为10mm, 根据被测管道壁厚的不同, 选择对应的安装套管长度。

5) 铠装热电偶采用卡套装置固定, 铠装热电偶浸入被测介质的长度, 应不小于其外径的6~10倍。

1) 热电偶的套管插入介质的有效深度 (从管道内壁算起) 为:介质为高温高压主蒸汽, 当管道公称通径等于或小于250mm时, 有效深度为70mm;当管道公称通径大于250mm时, 有效深度为100mm。对于管道外径等于或小于500mm的汽、气、液体介质, 有效深度约为管道外径的1/2;外径大于500mm时, 有效深度为300mm。对于烟、风及风粉混合物介质, 有效深度为管道外径的1/3~1/2。

2) 热电偶应安装在能代表被测介质温度处, 避免装在阀门、弯头以及管道和设备的死角附近。

3) 当热电偶插入深度超过1m时, 应尽可能垂直安装, 否则应有防止保护套管弯曲的措施, 例如加装支撑架或加装保护管。

4) 对于承受压力的插入式热电偶, 采用螺纹或法兰安装方式时, 必须严格保证其接合面处的密封。为此, 各接合面先使用凡尔砂和专用磨具进行研磨、擦净, 并垫入垫片。金属垫片和热电偶的丝扣部分应涂擦防锈或防卡涩的涂料, 以利于拆卸。带固定螺纹的热电偶, 在安装时应使用合适的扳手, 以防安装中损坏六角螺母。紧固时, 可用管子加长扳手的力臂, 切勿用手锤敲打, 以免震坏热电偶。

5) 安装在高温高压汽水管道上的热电偶, 应与管道中心线垂直, 低压管道上的热电偶倾斜安装时, 其倾斜方向应使感温端迎向液体。

6) 水平装设的热电偶, 其接线盒的进线口一般应朝下, 以防杂物等落入接线盒内, 接线后, 进线口应进行封闭。热电偶在接线时应注意极性。若必须在隐蔽处装设热电偶时, 应将其接线盒引至便于检修处。

金属壁温度是运行中重要监视参数。其易出现的故障是热电偶和引出线断线或短路, 而这种故障一般要在停机、停炉时处理。因此, 应采用正确的安装方法, 确保安装质量, 使机组能安全运行。

铠装热电偶用于测量金属壁温度, 主要用于测量锅炉的汽包壁、过热器管壁, 汽轮机的汽缸内外壁和加热法兰、螺丝以及主蒸汽管壁等温度。

铠装热电偶的测量端直接与金属壁接触, 安装前应注意检查其绝缘状况和极性, 特别是接壳式铠装热电偶, 安装后热偶丝的测量端已接地, 无法再测量其对地绝缘。为了测量准确, 应先用锉刀或纱布将被测的金属壁打光。铠装热电偶安装时应固定牢靠, 测量端与金属壁紧密接触并一起保温。

铠装热电偶参比端和测量端封口处理:随着大型机组测量金属壁温测点的增多, 特别是锅炉过热器管壁温度, 由于现场环境条件差, 热电偶安装后被损坏的数量较多, 需进行处理。

在火电厂仪表及控制系统设计中, 应根据工艺安装要求、环境条件、工艺介质参数 (包括压力、温度和流速) 以及性能要求选择相适应的热电偶规格与型号, 配以对应的安装方式, 以确保机组和系统的安全和经济运行。