論文---過(guò)程控制(編輯修改稿)
2025-07-12 22:01 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 對(duì)流 而影響測(cè)溫的準(zhǔn)確性 。熱電偶冷端太靠近爐體使溫度超過(guò) 100℃ 。熱電偶的安裝應(yīng)盡可能避免開(kāi)強(qiáng)磁場(chǎng)和強(qiáng)電場(chǎng) ,所以不應(yīng)把熱電偶和動(dòng)力電纜線裝在同一根導(dǎo)管內(nèi)以免引入干擾造成誤差 。熱電偶不能安裝在被測(cè)介質(zhì)很少流動(dòng)的區(qū)域內(nèi) ,當(dāng)用熱電偶測(cè)量管內(nèi)氣體溫度時(shí) ,必須使熱電偶逆著流速方向安裝 ,而且充分與氣體接觸。 第二節(jié) :絕緣度變差而引入誤差 如熱電偶絕緣了 ,保護(hù)管和拉線板污垢或鹽渣過(guò)多致使熱電偶間與爐壁間的絕緣不良 ,在高溫下更為嚴(yán)重 ,這不僅會(huì)引起熱電勢(shì)的損耗而且還會(huì)引入干擾 ,由此引起的誤差有時(shí)可達(dá)上百度。 第三節(jié) :熱惰性引入的誤 差 由于熱電偶的熱惰性使儀表的指示值落后于被測(cè)溫度的變化 ,在進(jìn)行快速測(cè)量時(shí)這種影響尤為突出。為此盡可能采用熱電極較細(xì)保護(hù)管直徑較小的熱電偶。測(cè)溫環(huán)境許可時(shí) ,甚至可將保護(hù)管取去。熱電偶的滯后是用它的時(shí)間常數(shù)來(lái)表征的。由于存在測(cè)量滯后 ,用熱電偶檢測(cè)出的溫度波動(dòng)的振幅較爐溫波動(dòng)的振幅小。測(cè)量滯后越大 ,熱電偶波動(dòng)的振幅就越小 ,與實(shí)際爐溫的差別也就越大。當(dāng)用時(shí)間常數(shù)大的熱電偶測(cè)溫或控溫時(shí) ,儀表顯示的溫度雖然波動(dòng)很小 ,但實(shí)際爐溫的波動(dòng)可能很大。為了準(zhǔn)確的測(cè)量溫度 ,應(yīng)當(dāng)選擇時(shí)間常數(shù)小的熱電偶。時(shí)間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比 ,與 熱電偶熱端的直徑、材料的密度及比熱成正比 ,如要減小時(shí)間常數(shù) ,除增加傳熱系數(shù)以外 ,最有效的辦法是盡量減小熱端的尺寸。在使用中為了保護(hù)熱電偶 ,一般都帶有保護(hù)套管 ,這就大大增加了熱電偶的時(shí)間常數(shù) ,使動(dòng)態(tài)測(cè)量精度變得更差 ,即熱電偶的溫度與爐膛溫度之差更大。但反應(yīng)出來(lái)的卻相反 ,這就使操作人員容易誤認(rèn)為爐溫波動(dòng)很小。所以在熱處理爐的溫度測(cè)量中 ,應(yīng)盡量減少保護(hù)套管的時(shí)間常數(shù) ,通常采用導(dǎo)熱性能好的材料、管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套管 ,在較精密的溫度測(cè)量中 ,使用無(wú)保護(hù)套管的裸絲熱電偶 ,但熱電偶容易損壞 ,應(yīng)及時(shí)較正及更換。 第四節(jié) :熱阻誤差 當(dāng)熱電偶的保護(hù)套管在高溫時(shí)如保護(hù)管上有一層煤灰、塵埃附在上面 ,則熱阻增加 ,阻礙熱的傳導(dǎo) ,這時(shí)溫度示值比被測(cè)溫度的真值低。因此在使用過(guò)程中保持熱電偶保護(hù)管外部的清潔是減小誤差的措施之一。 第三章：熱電偶測(cè)溫誤差分析 熱電偶是最傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)元件，長(zhǎng)期以來(lái)得到了廣泛應(yīng)用，效果很好，使其成為人們普遍接受的定型產(chǎn)品。在工業(yè)加熱爐爐溫控制中，為了提高控制水平，人們總是注重控制手段及控制設(shè)備。比如由位式控制發(fā)展到 PID控制，由模擬儀表控制過(guò)渡到計(jì)算機(jī)控制等〔‘〕，控制水平越來(lái)越高。然而，一個(gè)溫度控制系統(tǒng)的控溫 水平除了與控制精度有關(guān)外，還與其測(cè)量精度有關(guān)。測(cè)量精度隨控制精度提高而提高，同時(shí)還受熱電偶檢測(cè)誤差等因素的影響。事實(shí)上，熱電偶測(cè)溫時(shí)，客觀地存在誤差，這種誤差還會(huì)隨使用不當(dāng)而進(jìn)一步增大。因此，有必要對(duì)熱電偶測(cè)溫過(guò)程進(jìn)行分析。另外，還將從理論上研究減小誤差的措施，為進(jìn)一步提高溫度測(cè)控水平奠定基礎(chǔ)。 第一節(jié)：熱電偶測(cè)溫過(guò)程的理論分析 圖 1 表示加熱爐內(nèi)熱電偶熱端換熱情況。設(shè)爐墻內(nèi)表面的溫度、面積及黑度分別為‘、 F，和‘ 。設(shè)熱電偶熱端的溫度、表面積及黑度分別為 tT、 FT和。T。設(shè)爐氣溫度為 t:。為討論問(wèn)題簡(jiǎn) 便，假定爐氣黑度。 :=0，即爐氣不吸收也不輻射熱能。再假設(shè)爐氣是熱源，溫度最高，爐墻溫度最低，熱電偶溫度居中，則熱電偶熱端的換熱情況如下圖。氣流對(duì)熱電偶熱端的對(duì)流換熱為 ()D g TQ F t t???? W 式中 a— 對(duì)流換熱系數(shù) 21/W m C??. 熱電偶與爐墻的輻射換熱為 44[( ) ( ) ]1 0 0 1 0 0WTfTTTQ C F?? W (2) 圖 1熱電偶熱端換熱 The heat transfer about the heat end of thermocouple 式中， C 為導(dǎo)來(lái)輻射系數(shù)，其表達(dá)式為 5. 67 511( 1)TT W WC FF??? ?? 由于 WTFF,則 ?? 24/( )W m K (3) 將式 (3)代入 (2)中 445 .6 7 5 [ ( ) ( ) ]1 0 0 1 0 0WTf T TTTQF??? W (4) 在熱端溫度高于爐墻溫度時(shí)，熱端將通過(guò)熱電極導(dǎo)出熱量 : d dtQAdx??? W 式中 ? 熱電極導(dǎo)熱系數(shù) 11/W m C??. dtdx 溫度梯度 。 A — 熱電極橫截面積 2/m . 另外，當(dāng)熱電偶尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，還在升高溫度時(shí)，熱電偶會(huì)得到凈熱 : TJ dtQ mc d?? W 式中 m 熱端質(zhì)量 /kg . c 比熱容 11/J kg C??. Tdtd? 熱端溫度隨時(shí)間變化率。 可見(jiàn)，熱電偶熱端處的熱平衡方程為 D f d jQ Q Q Q? ? ? (7) 當(dāng)熱電偶達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí) ,則 D f dQ Q Q?? (8) 若 fQ 和 dQ 忽略不計(jì) ,則 DQ =0,從公式 (1)中可以得出 進(jìn)行熱交換 ,在達(dá)到到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，熱電偶溫度將等于氣流溫度。實(shí)際上， fQ 和 dQ總是存在的，則用熱電偶測(cè) 量氣流溫度 (即爐膛溫度 )總存在誤差。 第二節(jié) :輻射換熱引起的測(cè)溫誤差 熱處理低溫爐的傳熱方式主要依靠對(duì)流。爐內(nèi)被加熱金屬的溫度，在達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后即可認(rèn)為是爐內(nèi)循環(huán)氣流的溫度。因此，準(zhǔn)確地測(cè)量氣流溫度對(duì)確保產(chǎn)品質(zhì)量極為重要。 當(dāng)熱電極的導(dǎo)熱損失很小時(shí)，式 (8)變?yōu)? Df? 將式 (1)和式 (4)代入得 445 .6 7 5 [ ( ) ( ) ]1 0 0 1 0 0WTTgT TTt t t ??? ? ? ? (9) t 即為因輻射換熱引起的測(cè) 溫誤差。為了使測(cè)溫誤差盡量減小，分析式 (9)可知，減小熱電偶熱端黑度 T? ，增大對(duì)流換熱系數(shù) ? ，均可降低測(cè)溫誤差 .為此，選用黑度小的熱電偶材料或?qū)岫隋冦t拋光以減小黑度，均可以減小誤差。另外，熱電偶應(yīng)安裝在爐內(nèi)流速大的地方，以提高其對(duì)流換熱系數(shù)。同時(shí)，還應(yīng)注意熱電偶的安裝方向，通常熱電極應(yīng)與氣流方向垂直安裝，此時(shí)對(duì)流換熱系數(shù)較大，可減小誤差。 另外，從式 (9)中看出，若能提高 WT ，便可大大減小測(cè)溫誤差。但是，提高爐墻溫度往往是辦不到的，這時(shí)可以在熱端處安裝屏蔽罩，如圖 2所示。屏蔽罩是由金屬薄片做的同心多層 (一般為兩層 )國(guó)筒。內(nèi)層和外層屏蔽罩的黑度和換熱面積分別為2W?,1W?和2WF,1WF.此時(shí)熱電偶與爐墻內(nèi)表面間的輻射換熱為 441 1 2 1 2 2( ) ( )1 0 0 1 0
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