水泥工业热电偶使用经验及技术进展

唐新宇

（天津中材工程研究中心有限公司， 天津 300400）

由两种不同材料两端闭合组成一个回路，两个端点温度不同就会产生热电势，测量热电势就可以得到两端的温差，再根据一端（即参考端）的温度就可以算出另一端的温度（即测量端）。这就是热电偶的工作原理[1]。热电偶的种类有T、J、E、K、N、S、R、B 等类型，K 型和N 型热电偶测量范围在1200℃以内，S、R 型热电偶在1300℃以内。由于N 型热电偶加工成本较高，S、R 型热电偶材料成本高，因此K 型热电偶是以水泥工业为代表的高温高尘烟气测量用热电偶的首选。

1 测温点选择和热电偶插入深度

热电偶测温必须与被测介质接触，因此测温点必须选择快速测量出被测物质真实温度的地方，优先选择烟气管道的中心位置，即流速最大处。但是由于水泥工业多数烟气为高温高尘气体，热电偶插入深度过高必然寿命极大下降，因此不能插入深度太大。另外由于热电偶一般配有保护管，通常为金属或陶瓷材质，根据相关研究，保护管的寿命受其固有频率和激励频率的影响，插入深度越大，激励频率与固有频率的比值越大，保护管越容易因共振而损坏。综合考虑导热等因素，一般金属保护管长度可以取其直径的15-20 倍，陶瓷保护管长度可以取其直径10-15 倍[2]。另外，保护管的插入角度最好是硬着烟气流量斜插45°，测量端与烟气的热交换效果最好，响应时间最短。

2 热电偶使用过程中的误差

1）参考端误差。热电偶参考端温度理论上要求0℃，这样热电偶测出来的温度就是实际温度。但是因为水泥厂现场热电偶参考端多数很难保持0℃，因此往往只能进行现场温度校正，会造成系统误差，最终影响测量结果。

2）粘附粉尘引起热阻抗造成的误差。由于水泥厂热电偶多数使用环境是高尘环境，套管外很容易粘附各种粉尘，造成热电偶测量端-保护套管-烟气之间的传热变成了测量端-保护套管-结皮-烟气之间的传热，会造成显示温度降低，这也是系统误差。

3）热电偶本身材料变性导致的误差。热电偶在长期高温使用后，材质内部的晶体构型、杂质形式都有可能发生变化，热电偶的电动势也会发生变化，这就是热电偶的老化。热电偶的老化是不可避免的，必须定期进行校正。

4）响应时间。由于水泥窑烟气的温度变化较快，甚至在1 秒内发生，而普通热电偶的响应时间显然大于烟气温度的变化速度，这就会造成延迟。另外在热电偶保护套上形成结皮后，传热热阻变大，温度梯度下降，热电偶的响应时间会继续延长。

5）插入深度。

董清锋[3]结合插入深度带来的测量误差关系式认为，插入深度的测量误差与导热系数、换热系数和保护管直径有关，依据循环流化床历史记录分析，约1000℃的高温烟气，插入深度一致的热电偶之间温差在5℃；插入深度差10mm，温差20℃。因此热电偶更换时最好保持相同的插入深度，才能不影响数据的连续性。

3 热电偶使用过程中经常出现的问题和解决方案

热电偶使用中主要的问题就是冲刷、附着结皮、与邻近材料挤压等。

1）使用陶瓷保护管时，由于陶瓷比较耐受高温但是并不耐受敲击，因此在高粉尘环境中比如分解炉等部分，很容易在运行时被粉尘冲击而损坏。不同的工作环境需要不同的保护套管，因此水泥工业多数采用金属套管，而煤气化炉多采用刚玉套管[4]。

2）热电偶在测量高温气体时，多数经过钢板（设备金属外壳）、硅酸钙板、耐火材料（耐火砖、浇注料）三层。由于各层热膨胀系数存在一定差别，导致热电偶及套管会因为与这几层材料的高温相互挤压而损坏。为了避免这种材料的发生，更换热电偶时最好在热态更换热电偶而不是冷态时更换。

3）附着物破坏。粉尘在保护套管上形成结皮后，不仅影响响应时间和测量精度，同时由于结皮的热膨胀系数与保护套管不同，且高温下粉尘会和套管发生一定反应，因此在温度变化时会破坏套管。生产中只能增大清理结皮的频率来避免在这种情况的发生。

4 热电偶进展

研究热电偶的重点就是如何减少粉尘冲刷、附着。

董建国[6]设计了一种热电偶保护套，其基本原理是利用保护套上的多个小孔降低烟气的风速，从而使烟气携带的粉尘在接触到热电偶前改变流动方向，保护热电偶免收高温粉尘的冲刷，延长热电偶的使用寿命。但是由于该方法吹到热电偶上的热风被减速，降低热电偶与烟气的热交换速率，延长了响应时间。不过其不与粉尘接触的思路是比较有前途的。

高麟[7]在热电偶前设置了一个挡尘板，用挡尘板阻挡高温含尘烟气直接冲刷热电偶，延长热电偶的使用寿命同时减少结皮。但是由于烟气在挡尘板降低了速度，接触热电偶的速度也很慢，同样有热交换速率低，响应时间长的缺点。张文功[8]则将该设计应用到水泥窑三次风管测量上。

胡庆伟[9]设计了一种可自动旋转的保护套管，通过保护套管的旋转避免套管迎风面固定部分接受粉尘的冲击，而是各个侧面均匀承受，这样延长保护套管和热电偶的寿命。但是该方式必然形成附着物破坏，降低测量精度，延长响应时间。

李硕[10]将单一的套管材质改为金属+陶瓷双材质，测量端采用金属材质导热好，非测量端的中间部分采用特殊耐磨陶瓷，结合两种材料优点提高热电偶寿命。但是还是无法解决粉尘冲刷和附着结皮问题。

5 总结

热电偶是以水泥工业代表的高温高尘常用测温仪表，使用过程中会因为很多原因造成误差和损坏，本文给出相应的一些对策，并介绍了热电偶在高温高尘环境应用的一些进展。