測(cè)溫元件常見故障分析

1、測(cè)溫元件常見故障分析【摘 要】：溫度是熱力控制系統(tǒng)的重要參量之一，幾十年來(lái)它的測(cè)量技術(shù)得到了飛速發(fā)展，測(cè)量裝置也從單一的測(cè)量功能向多功能、智能化和高精度方向轉(zhuǎn)變。本文系統(tǒng)的闡述了在當(dāng)今大型火力發(fā)電機(jī)組上所應(yīng)用的熱工溫度測(cè)量裝置的種類、基本構(gòu)造、測(cè)量原理及與DCS結(jié)合應(yīng)用測(cè)量回路的構(gòu)成，深入地分析了在使用過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的故障和處理方法，為同行使用該裝置時(shí)少走彎路提供理論參考。【關(guān)鍵字】：熱電偶 熱電阻 分布式控制系統(tǒng)（DCS） 溫度變送器 雙金屬溫度計(jì)1概述溫度信號(hào)是熱力控制系統(tǒng)中的一個(gè)重要參量，通常一臺(tái)600MW火電機(jī)組其溫度測(cè)點(diǎn)的數(shù)量大致在1000點(diǎn)左右，占各類測(cè)點(diǎn)總量的1/3強(qiáng)，而且測(cè)量范

2、圍也非常廣，從負(fù)的幾十度（根據(jù)地區(qū)而定）到近千度。因此所測(cè)溫度信號(hào)的準(zhǔn)確與否將直接影響到機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性和高效性。隨著儀表控制技術(shù)的飛速發(fā)展及分布式控制系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱DCS）的出現(xiàn)，原來(lái)廣泛使用的溫度測(cè)量裝置，尤其是二次儀表部分（如溫度變送器）已被逐漸淘汰，其功能已由DCS相應(yīng)卡件上的通道來(lái)承擔(dān)（一塊卡件往往同時(shí)可以接受8至16個(gè)信號(hào)）。與DCS結(jié)合后，溫度測(cè)量信號(hào)的集成度和精度都有了明顯提高，每一個(gè)信號(hào)都可以得到最大限度的應(yīng)用：同一個(gè)信號(hào)在DCS內(nèi)部既可以做監(jiān)視用又可以做記錄用，經(jīng)過(guò)DCS轉(zhuǎn)換后也可輸出至其他設(shè)備用非常靈活。但對(duì)于前端的傳感元件目前變化不是很多熱點(diǎn)偶和熱點(diǎn)阻至今仍是被

3、應(yīng)用得最廣泛的測(cè)溫元件。2熱電偶測(cè)量裝置21測(cè)量元件熱電偶因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、價(jià)格低廉（普通型國(guó)產(chǎn)約五、六百元一支）、壽命長(zhǎng)（通常可使用46年，一些焊接式的如鍋爐金屬壁溫?zé)犭娕伎蛇_(dá)10年以上，且主要是因遭長(zhǎng)期污染或腐蝕后導(dǎo)致精度降低而更換，很少發(fā)生因機(jī)械原因而更換的）等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用，同時(shí)考慮到適合于電廠應(yīng)用范圍和高性價(jià)比因素，實(shí)際大多使用了E型（鎳鉻-康銅）熱電偶，少數(shù)測(cè)點(diǎn)因測(cè)量精度要求較高或測(cè)點(diǎn)溫度較高如爐膛煙溫探針等則采用了K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶。熱電偶簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)決定了它極為可塑的應(yīng)用形狀，可以根據(jù)需要加工成粗細(xì)長(zhǎng)短各不同的、單支或雙支（通常采用雙支熱電偶，一支作為備用）的，有

4、些熱電偶如鎧纜熱電偶在使用時(shí)可將其頭部進(jìn)行彎扭以滿足現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的不同安裝形狀要求。眾所周知熱電偶的測(cè)量原理是熱電效應(yīng)，它同其他傳感器最大的區(qū)別就是不需要加任何激勵(lì)電源就可以產(chǎn)生信號(hào)。不過(guò)它產(chǎn)生的是極弱電信號(hào)，一般只有幾十個(gè)毫伏，為了防止信號(hào)失真對(duì)熱電勢(shì)的傳送有著很高的要求：首先必須使用專用的電纜（稱補(bǔ)償電纜），而且不同型號(hào)的熱電偶其補(bǔ)償電纜也不一樣（E型配鎳鉻考銅線、K型配銅康銅線）。其次對(duì)干擾信號(hào)的屏蔽要求較高，線纜通常采用雙層屏蔽。22 冷端補(bǔ)償熱電偶的冷端補(bǔ)償功能已普遍移入DCS中。以下以INFI90控制系統(tǒng)為例，所有I/O柜都放置在環(huán)境溫度恒定（一般為1821）的電子室內(nèi)，這樣在I/O端

5、子柜內(nèi)進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償時(shí)能夠得到精度較高的測(cè)量值。當(dāng)熱電偶冷端溫度為零攝氏度（簡(jiǎn)稱t0）時(shí)，補(bǔ)償電橋R1= R2= R3= RF(t0)，電橋平衡，補(bǔ)償電壓Uba=0，測(cè)溫回路的總電勢(shì)為EAB(t,t0)。當(dāng)熱電偶冷端溫度變化，如上升為t1時(shí)，雖然熱電偶的熱電勢(shì)減小了，但由于溫敏電阻RF值增大，補(bǔ)償電橋會(huì)有Uba電壓輸出，測(cè)溫電路總電勢(shì)為EAB(t,t1)+ Uba。只要選擇好補(bǔ)償電橋的工作電流值，就可以使補(bǔ)償電壓Uba恰等于因冷端溫度上升而減小了的那部分熱電勢(shì)EAB(t,t1)，使測(cè)溫電路總電勢(shì)EAB(t,t0)保持不變，如圖（1）。以上補(bǔ)償后的熱電勢(shì)EAB(t,t0)進(jìn)入信號(hào)隔離器，在那里

6、進(jìn)行隔離變送將毫伏信號(hào)線性地轉(zhuǎn)化為15伏信號(hào)（統(tǒng)一按900為滿量程計(jì)算）后輸入I/O卡件，在I/O卡件中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換最后送控制器卡件進(jìn)行運(yùn)算和控制。23軟件處理及控制進(jìn)入DCS控制器卡件的溫度信號(hào)是數(shù)字量信號(hào)（從工程師工作站上監(jiān)視時(shí)，顯示的還是毫伏值），同輸入的毫伏電壓值呈線性關(guān)系，所以要將它轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)還需要列表進(jìn)行插值計(jì)算。f(X)同時(shí)為了保證整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性,在控制邏輯中對(duì)每個(gè)主、重要溫度測(cè)量參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)安裝了多個(gè)測(cè)點(diǎn)，例如過(guò)熱器出口溫度，雙測(cè)點(diǎn)輸入即冗余測(cè)點(diǎn)輸入或三測(cè)點(diǎn)輸入，相應(yīng)的控制邏輯則采用二選一或三取中。根據(jù)傳熱學(xué)定律可知熱量的傳遞快慢取決于傳熱體的熱阻，因此任何一種溫度測(cè)量

7、裝置對(duì)于溫場(chǎng)測(cè)量的反映都要比流量、液位、壓力信號(hào)慢得多，再說(shuō)熱電偶的元件外通常還有一層保護(hù)套管。所以它對(duì)溫度變化的響應(yīng)不是階躍特性而接近于慣性特性，對(duì)此現(xiàn)場(chǎng)對(duì)溫度控制的主控PID中要加入一些導(dǎo)前分量，以防被控對(duì)象的溫度過(guò)調(diào)。24常見故障與分析熱電偶的常見故障主要表現(xiàn)有：a 熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線接反。這主要是基建時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，負(fù)責(zé)接線的人員一時(shí)的粗心造成，屬人為因數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線接反情況時(shí)，操作員控制站上的顯示通常比實(shí)際值偏大或偏小（根據(jù)通道測(cè)量回路而定）。b 熱電偶的補(bǔ)償導(dǎo)線絕緣層被磨破，造成信號(hào)回路接地。這主要是因?yàn)檠a(bǔ)償導(dǎo)線較硬，而且在接線盒內(nèi)又未被安放平整，處理故障時(shí)多次旋擰接線盒蓋

8、碰到補(bǔ)償導(dǎo)線而將其磨破。此類故障反映在操作員控制站上其溫度示值一般偏小。c 接線盒內(nèi)接線端子接觸不良。因補(bǔ)償導(dǎo)線和熱電偶的導(dǎo)線都比較硬，所以現(xiàn)場(chǎng)檢修時(shí)緊固接線比較困難，有時(shí)候開始把導(dǎo)線擰緊了但過(guò)段時(shí)間隨著導(dǎo)線的變形又松了。此類故障反映在操作員控制站上的溫度示值為無(wú)顯示或顯示值超量程。d 補(bǔ)償電阻故障。此類故障表現(xiàn)為熱電偶接上后溫度顯示值緩慢上升或下降。e 鍋爐尾部煙道測(cè)量熱電偶故障率較高。停機(jī)檢修時(shí)將熱電偶拆下發(fā)現(xiàn)熱電偶的頭部包括護(hù)套管被煙氣沖刷后嚴(yán)重磨損，將護(hù)套管改由耐磨鋼材料制成后，才消除了此類故障隱患。f 信號(hào)屏蔽系統(tǒng)DCS柜內(nèi)接地不良。此類故障極容易造成電荷在信號(hào)線上積累，引起信號(hào)漂移

9、或晃動(dòng)。由于該問(wèn)題故障點(diǎn)較難查明，通常的處理方法是解開信號(hào)線，對(duì)其進(jìn)行對(duì)地放電處理。g 溫度輸入信號(hào)經(jīng)隔離器后故障，反映在操作員控制站上的溫度值信號(hào)異常。更換隔離器后正常。以上是檢修時(shí)經(jīng)常碰到的問(wèn)題，但在查找這些故障時(shí)，建議先用萬(wàn)用表在 DCS 的I/O端子柜上測(cè)量輸入的電壓值，這樣可以迅速判斷出是就地測(cè)量端問(wèn)題還是DCS部分的問(wèn)題，對(duì)于多點(diǎn)輸入還可同另外幾支熱電偶信號(hào)進(jìn)行比較。如判斷不出再行解線測(cè)量其電阻值，通常熱電偶的電阻值為100左右。3熱電阻測(cè)量裝置以熱電阻為測(cè)溫元件的溫度測(cè)量裝置在火電廠里的使用率僅次于熱電偶。普通型國(guó)產(chǎn)熱電阻約千元一支，價(jià)格較熱電偶貴，但低溫時(shí)特性較好，測(cè)量精度要高

10、于熱電偶，主要用于檢測(cè)溫度低于200的測(cè)點(diǎn)。目前在測(cè)量發(fā)電機(jī)線圈溫度及風(fēng)機(jī)、磨煤機(jī)等大型輔機(jī)馬達(dá)線圈溫度上我廠大量采用了熱電阻元件，一臺(tái)600MW的機(jī)組熱電阻測(cè)點(diǎn)約有二、三百個(gè)。31熱電阻元件熱電阻作為測(cè)溫裝置的傳感部件，分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻，我廠應(yīng)用的是Pt100金屬熱電阻，因?yàn)樗哂腥缦绿匦裕海?） 電阻溫度系數(shù)大，即靈敏度高；（2） 物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，抗氧化性好，測(cè)量精度高，能長(zhǎng)時(shí)間適應(yīng)較惡劣的測(cè)溫環(huán)境；（3） 電阻率大，電阻體積小，從而使得測(cè)溫的熱慣性??；（4） 在250時(shí)，電阻溫度關(guān)系近于線性關(guān)系；熱電阻元件結(jié)構(gòu)一般由電阻體、引線、絕緣子或絕緣膠管、保護(hù)套管及接線盒組成，電阻

11、體是用熱電阻絲繞制在絕緣骨架上制成的，為消除繞制電感，通常采用雙線并繞，這樣，當(dāng)線圈中通過(guò)變化的電流時(shí)，由于并繞的兩導(dǎo)線電流方向相反，磁通互相抵消，消除了電感。引線的作用是將熱電阻體線端引至接線盒，以便與外部導(dǎo)線和DCS通道連接，引線的線徑較粗，一般為1mm左右，以減小附加測(cè)量誤差，材料一般為銀，接法采用三線制。絕緣子或絕緣膠管套在引線上，以防止引線之間及引線與保護(hù)套管之間短路。熱電阻元件安裝方式大都采用嵌入式，即將電阻體安放在由制造廠專門設(shè)置的測(cè)孔內(nèi)，使用后感覺其測(cè)量的動(dòng)態(tài)反應(yīng)較好。熱電阻測(cè)量原理：熱電阻測(cè)量裝置是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值與本身溫度呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量的。金屬導(dǎo)

12、體電阻與溫度的關(guān)系一般可表示為：R(t)=R(t0)1+(t-t0)式中 R(t)溫度為t時(shí)的電阻值；R(t0)溫度為t0時(shí)的電阻值；電阻溫度系數(shù)，即溫度每升高1時(shí)的電阻相對(duì)變化量。由于一般金屬材料的電阻與溫度關(guān)系并非線性，故值將隨溫度變化，并非常數(shù)。32測(cè)量回路當(dāng)今與DCS配套使用的熱電阻元件絕大多數(shù)采用三線制，因?yàn)槿€制接法可以減小或消除因引線電阻變化所引起的測(cè)量誤差。DCS通道的測(cè)量回路也相應(yīng)地采用電橋法，如圖（2）。電橋的對(duì)臂電阻各為Rt、R1和R2、R3，則在電橋平衡時(shí)電阻間的關(guān)系為Rt= R2· R3/ R1。通道整定的測(cè)溫范圍為0200，對(duì)應(yīng)的Rt為100175.86，

13、R1、R2、R3的阻值經(jīng)計(jì)算配對(duì)后，使整個(gè)測(cè)量回路的輸出電流經(jīng)取樣電阻后其兩端電壓值對(duì)應(yīng)為15V。然后該電壓信號(hào)送隔離器隔離后，再送I/O卡件，在I/O卡件中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換最后送控制器卡件進(jìn)行運(yùn)算和控制。33軟件處理及控制進(jìn)入DCS控制器卡件的溫度信號(hào)是數(shù)字量信號(hào)（從工程師工作站上監(jiān)視時(shí)，顯示的還是電阻值），它同輸入的電阻值還是呈線性關(guān)系，所以要將它轉(zhuǎn)換成溫度信號(hào)還需要列表進(jìn)行插值計(jì)算f(X)中的數(shù)據(jù)如下表（Pt100型）：因?yàn)闊犭娮璧膭?dòng)態(tài)特性不如熱電偶，所以在大型電廠中熱電阻信號(hào)很少用于控制和保護(hù)，基本上是作為監(jiān)視用。34常見故障分析前面提到過(guò)熱電阻的應(yīng)用場(chǎng)所大都為電機(jī)線圈、潤(rùn)滑油溫度等，環(huán)

14、境狀況較好，元件的故障率相對(duì)較低，總結(jié)熱電阻的常見故障主要表現(xiàn)在以下幾方面：(1) 部引線接線端子接觸不良。當(dāng)“+”接線端子有問(wèn)題時(shí)，操作員站上信號(hào)顯示偏大或超量程；當(dāng)“COM”接線端子有問(wèn)題時(shí)，操作員站上信號(hào)顯示偏小或超低量程；當(dāng)“”接線端子有問(wèn)題時(shí)，操作員站上信號(hào)無(wú)顯示或停留在原來(lái)值。溫度輸入信號(hào)經(jīng)隔離器后故障，反映在操作員控制站上的溫度值信號(hào)無(wú)顯示并且有信號(hào)壞質(zhì)量故障報(bào)警。更換隔離器后正常。另外，注意在查找故障時(shí)，切忌在通道端子上接線未解開時(shí)就用萬(wàn)用表測(cè)量電阻值，這樣不僅測(cè)不準(zhǔn)RTD的阻值，而且有可能將萬(wàn)用表電阻檔的輸出電壓串入通道中造成I/O通道損壞，更為嚴(yán)重的是，萬(wàn)一該點(diǎn)信號(hào)用于保護(hù)

15、時(shí)，會(huì)造成機(jī)組跳閘。4 就地溫度計(jì)除上述二種與DCS配套使用的熱電偶和熱電阻溫度測(cè)量裝置外，還有一種單純用于就地顯示的溫度測(cè)量裝置就地溫度計(jì)，此類溫度計(jì)通常精度不高（一般為1.5級(jí)），在電廠中主要起輔助檢測(cè)作用，數(shù)量也只有100來(lái)個(gè)，平常運(yùn)行人員只是對(duì)它進(jìn)行定時(shí)巡檢，記錄就地設(shè)備的溫度示值數(shù)據(jù)，提供對(duì)在線運(yùn)行設(shè)備情況的參考。目前廣泛使用的溫度計(jì)有兩種。一種是雙金屬溫度計(jì)，它是將兩種不同的金屬材料片貼焊在一起形成傳感片，利用它們對(duì)溫度變化的伸縮特性不一致而導(dǎo)致傳感片的彎曲從而帶動(dòng)溫度表的指針轉(zhuǎn)動(dòng)。另一種是毛細(xì)管溫度計(jì)，毛細(xì)管內(nèi)充有硅油，當(dāng)溫度變化時(shí)，硅油隨之產(chǎn)生膨脹或收縮而帶動(dòng)表頭指針的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)測(cè)量溫度。從目前使用的情況來(lái)看，這兩種表計(jì)內(nèi)部機(jī)械損壞概率不大，但隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，表計(jì)