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东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 钢水连续测温系统应用研究 摘要 温度是一个基本的物理量，它是工业生产过程中最普遍，最重要的工艺参数。 它与多种工业产品的产量、质量和能耗等指标都有直接的关系，因此温度测量在 工业生产中占有很重要的位置。而实际生产中，实现温度的准确测量并非是一件 简单的事情，它与长度，质量等其他物理量的测定不同。无论采用准确度怎样高 的温度计，如果温度计选择不当，或者测量方法不适宜，或者测量环境不合适， 都不能得到所希望的测量结果。钢水的温度测量就更加困难。钢水温度之高，检 测环境之恶劣使钢水温度测量成为炼钢工业中的一个难题。尤其是钢水连续测 温。本课题就是针对钢水连续测温，并结合实际的测温环境，从特种测温传感器 的设计到多功能智能化温度检测系统的软硬件设计出发，研究钢水连续澳4 温系 统。该系统是以8 0 3 1 单片机系统和传统的温度检测元件一热电偶相结合的温度 测量系统。本系统的数学模型合理，测量方法容易实现。实际系统采用抗干扰、 低零漂、低温漂的电子元件，性能稳定。该系统总体特点是使用简便、实用、测 量稳定可靠、测温范围大、使用对象广，且实现了智能化。 本文主要介绍了钢水温度的连续测量，包括温度传感器、单片机接口及其应 用软件设计，大体分为以下几大部分： ( 1 ) 介绍了国内外温度检测技术和特种测温( 钢水温度检测) 的发展状况， 并且分析了温度检测技术的未来发展方向。 ( 2 ) 根据实际测量要求制定出一次仪表( 温度传感器) 的选择、使用和安 装方案，并且解决了热电偶测量过程中存在的冷端度不为零摄氏度的 传统问题。 ( 3 ) 根据实际使用要求设计了相应的单片机硬件系统，该系统能够实现多 路测量、数据采集、数据处理、温度值的在线显示、测量数据的打印 以及和上位机的通讯。 ( 4 ) 设计了和硬件配套的软件，编写了适用于单片机的热电偶测温的通用 查表法。该方法占用内存较少、查表速度快，很好地解决了热电偶热 东北大学硕士学位论文 电势与温度值之间非线性的问题。 ( 5 ) 通过实验，对该系统功能进行了初步验证，并且分析了误差来源，同 时对该系统的未来发展进行了展望。 关键词钢水连续测温智能化单片机接口多功能 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t u s i n g r e s e a r c ho nt h es y s t e mo f c o n t i n u o u s m e a s u r i n go f t h et e m p e r a t u r eo fh o tm e t a l a b s t r a c t t e m p e r a t u r e a sab a s i cp h y s i c a lq u a n t i t y , i so n eo ft h em o s tu n i v e r s a la n d i m p o r t a n tt e c h n i c a lp a r a m e t e r s i th a sad i r e c ta f f e c to nt a r g e t so f m a n yp r o d u c t s ，s u c h a so u t p u t 、q u a l i t ya n dc o n s u m p t i o no fe n e r g ya n ds oo n ，s om e a s u r i n go ft h e t e m p e r a t u r ei sv e r yi m p o r t a n tt oi n d u s t r yp r o d u c t i o n i np r a c t i c e ，i ti sd i f f i c u l tt o m e a s u r ea c c u r a t e l yt h et e m p e r a t u r e m e a s u r i n go f t e m p e r a t u r ei sd i f f e r e n tf r o mo t h e r s ， f o re x a m p l e ，m e a s u r i n go fl e n g t h 、m e a s u r i n go fn l a s s t h es y s t e mo fc o n t i n u o u s m e a s u r i n go ft h et e m p e r a t u r eo fh o tm e t a li n t r o d u c e db yt h ep a p e ri st h es y s t e mo f 8 0 31 s i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r a n dc o n v e n t i o n a l m e a s u r i n gc o m p o n e n t t h e r m o c o u p l et h em a t h e m a t i cm o d e li sa p p r o p r i a t e ，a n dm e a s u r e m e n tm e t h o di s e a s yt ob ee x e c u t e dt h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t su s e da r ea n t i - j a m m i n g ，l e s sz e r o d r i f t a n dl e s st e m p e r a t u r e d r i f t t h es y s t e mi sc o n v e n i e n ta n da p p l i c a b l ei ti s s t e a d y 、 r e l i a b l ea n ds of i tt ou s ea tt h es a m et i m e ，i th a sl a r g e rs c o p eo fm e a s u r e m e n ta n di t c a l lb eu s e di nm a n yk i n d so fo b j e c tm e a s u r e d i th a si n t e l l e c t u a l i z e dt h ep r o c e s s t h et h e s i si n t r o d u c e sa u t o m a t i c m e a s u r e m e n to ft e m p e r a t u r e ，i n c l u d i n g t e m p e r a t u r es e n s o r , i oo fs i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n da p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，i tc a n b ed i v i d e di n t of i v ep a r t s ： ( 1 ) i ti n t r o d u c e s t h e d e v e l o p m e n t o ft e n a p e r a t u r em e a s u r e m e n ta n d s p e c i a l t e m p e r a t u r em e a s u r i n g - - m e a s u r e m e n to fm o l t e ns t e e l st e m p e r a t u r e ，a sw e l la s t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no f t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti nt h ef u t u r e ( 2 ) i tp r o v i d e st h es o l u t i o no ft e m p e r a t u r es e n s o r ss e l e c t i n g 、u s i n ga n ds e t t i n gi t s o l v e st h ep r o b l e mo f t h e r m o c o u p l ew h o s er e f e r e n c e de n d st e m p e r a t u r ei sn o t0 i l lt h ec o r p s eo f m e a s u r e m e n t ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ld e m a n d s ，id e s i g nc o r r e s p o n d i n gh a r d w a r es y s t e m t h es y s t e mc a nr e a l i z ed a t aa c q u i s i t i o n ，s h o w i n go ft e m p e r a t u r eo n l i n e ，p r i n t i n g 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t o ft e m p e r a t u r ea n dc o r r a n u n i c a t i o nw i t hu p p e rc o m p u t e r ( 4 ) t h ec o r r e s p o n d i n gs o r w a r ei sa c c o m p f i s h e d t h eg e n e r a lm e t h o db yc h e c k i n g t a b l eo c c u p i e sl e s sm e m o r ya n dr u n sf a s ti tc a l ls o l v et h ep r o b l e mo f n o n - l i n e a r b e t w e e nt h e r m o e l e c t r o m o t i v ef o r c ea n d t e m p e r a t u r ev a l u es u c c e s s f u l l y ( 5 ) b ye x p e r i m e n t a t i o n ，ih a v ev a l i d a t e de l e m e n t a r i l yt h ef u n c t i o na b o u tt h i ss y s t e m ， a n da n a l y z e de r r o rs o u r c e so nt h i ss y s t e ma tt h es a m et i m e ，ie s t i m a t et h e d e v e l o p m e n t i nt h ef u t u r ea b o u tt h i ss y s t e m k e y w o r d ：c o n t i n u o u sm e a s u r i n go f t e m p e r a t u r eo f h o t - m e t a l ，i n t e l l i g e n t ， s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e ri n t e r f a c e ，m u l t i f u n c t i o n v 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含本文为获得其他学位而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：只夥争 日期：多以一d7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使 用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北 大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 温度是一个基本的物理量，它是工业生产过程中最普遍，最重要的工艺参数。 它与多种工业产品的产量，质量和能耗等指标都有直接的关系，因此温度测量在 工业生产中占有很重要的位置。而实际生产中，实现温度的准确测量并非是一件 简单的事情，它与长度，质量等其他物理量的测定不同。无论采用准确度怎样高 的温度计，如果温度计选择不当，或者测量方法不适宜，或者测量环境不合适， 都不能得到所希望的测量结果。钢水的温度测量就更加困难。钢水温度之高，检 测环境之恶劣使钢水温度测量成为炼钢工业中的一个难题。尤其是钢水连续测 温。本课题就是针对钢水连续测温，并结合实际的测温环境，从特种测温传感器 的设计到多功能智能化温度检测系统的软硬件出发，进行钢水连续测温系统应用 研究。 1 2 国内外状况和发展趋势 随着工业的日益发展，温度检测技术也在不断进步。近年来，在温度检测领 域内，除了原有的检测原理和技术( 如：物体热胀冷缩原理，热电效应技术，热 辐射原理等) 外，多种新的检测原理与技术的开发应用也取得了实用性的重大进 展。涌现出新一代温度检测元件。主要包括： 1 ) 晶体管温度检测元件 2 ) 集成电路温度检测元件 3 ) 核磁共振温度检测器 4 ) 热噪声温度检测器 5 ) 石英晶体温度检测器 6 ) 光纤温度检测器 7 ) 激光温度检测器 8 ) 微波温度检测器 东北大学硕士学位论文第一章绪论 9 ) 红外测温仪 总的说来，随着工业生产率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，对 温度检测的要求也愈来愈高。目前，在这方面的动向和趋势是朝着扩展监测范围 ( 由一2 0 0 3 0 0 0 。c 向超高温、超低温发展) 、扩大测量对象( 由点测到线、面、 体的测量，从工业到环境保护、实用电器、汽车工业及航空航天) 、发展新型产 品、适应特殊环境的测温、显示数字化、标定自动化等发展【。 1 2 1 国内外钢水温度检测方法 目前。据我们了解对钢水的测量主要是用间断法和连续法来间隔或者连续监 测钢水温度。在方式上同其他领域的温度测量一样，也主要采用接触式和非接触 式两种方式。 1 ) 间断法钢水温度测量 据调研国内外大多数钢铁企业采用一次性消耗式热电偶间断测量钢水温度。 常用的间断钢水测温方法主要有以下几种： a ) 侵入式热电偶 该方法被各国普遍使用。根据被测对象的不同，其结构也有差异，但其基本 结构是把热电偶装在一根较长的钢管中，热电偶的测量端要焊接或绞接起来，热 电极用瓷柱或钢玉管绝缘，未能经受钢水及炉渣的高温浸蚀，钢管的前端套有石 墨管。在保证测量准确度和不损坏枪体的情况下，应力求轻便，依据测量范围可 选用下列不同的测温元件： 热电偶：当温度高于1 3 0 0 时常选用s 型、b 型、w r e 3 - - w r e 2 5 、w r e 5 - - w r e 2 6 热电偶等；当温度低于1 3 0 0 c 时可选用n 型或k 型热电偶。热电偶丝 直径一般为o 3 0 8 m m 。 保护管：浸入式热电偶采用的保护管有石英管( 段时间可用到1 7 0 0 ) 、金 属陶瓷保护管，有时也用氧化物、硼化物保护管等。无论何种保护管，其抗震性 必须好，否则要经预热后才能慢慢地浸入钢水中。为了减少导热误差，保证测量 准确，保护管应有足够的插入深度。 b ) 快速热电偶 快速热电偶即快速测量金属熔体温度的热电偶。它是专为测量钢水、铁水及 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 9 ) 红外测温仪 总的说来，随着工业生产率的不断提高，自动化水平与范围也不断扩大，对 温度检测的要求也愈来愈高。目前，在这方面的动向和趋势是朝着扩展监测范围 ( 由一2 0 0 3 0 0 0 c 向超高温、超低温发展) 、扩大测量对象( 由点测到线、面、 体的测量，从工业到环境保护、实用电器、汽车工业及航空航天) 、发展新型产 品、适应特殊环境的测温、显示数字化、标定自动化等发展 1 】口 1 2 1 国内外钢水温度检测方法 目前，据我们了解对钢水的测量主要是用间断法和连续法来问隔或者连续监 测钢水温度。在方式上同其他领域的温度测量一样，也主要采用接触式和非接触 式两种方式。 1 ) 间断法钢水温度测量 据调研国内外大多数钢铁企业采用一次性消耗式热电偶间断测量钢水温度。 常用的间断钢水测温方法主要有以下几种： a ) 侵入式热电偶 该方法被各国普遍使用。根据被测对象的不同，其结构也有差异但其基本 结构是把热电偶装在一根较长的钢管中，热电偶的测量端要焊接或绞接起来，热 电极用瓷柱或钢玉管绝缘，未能经受钢水及炉渣的高温浸蚀，钢管的前端套有石 墨管。在保证测量准确度和不损坏枪体的情况下，应力求轻便，依据测量范围可 选用下列不同的测温元件： 热电偶：当温度高于1 3 0 0 7 2 时常选用s 型、b 型、w r e 3 - - w r e 2 5 、w r e 5 - - w r e 2 6 热电偶等；当温度低于1 3 0 0 时可选用n 型或k 型热电偶。热电偶丝 直径一般为o 3 - 08 m m 。 保护管：浸入式热电偶采用的保护管有石英管( 段时间可用到1 7 0 0 。c ) 、金 属陶瓷保护管，有时也用氧化物、硼化物保护管等。无论何种保护管，其抗震性 必须好，否则要经预热后才能慢慢地浸入钢水中。为了减少导热误差，保证测量 准确，保护管应有足够的插入深度。 b ) 快速热电偶 快速热电偶即快速测量金属熔体温度的热电偶。它是专为测量钢水、铁水及 快速热电偶即快速测量金属熔体温度的热电偶。它是专为测量钢水、铁水及 2 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 其他金属熔体的温度设计制造的，目前世界上许多国家采用此种热电偶测量金属 熔体温度。快速热电偶的工作原理与一般热电偶相同。 快速热电偶主要包括普通型、无喷溅、感应炉用微型快速热电偶。 c 1 副枪侵入式热电偶 副枪就是氧枪的另一侧设置水冷枪，枪头上安装了可更换的探头。氧气顶吹 转炉炼钢的特点是，吹炼时间短，反应激烈，终点温度不易控制。为了适应生产 发展需要，已经开始采用电子计算机控制转炉炼钢，在此就必须使用副枪浸入式 热电偶。副枪浸入式热电偶的突出优点是，可在转炉吹炼过程中进行测量，不必 停吹和倒炉，是实现转炉炼钢自动化的关键性测试技术。 d ) 动态测温法 该方法是一种新方法，各个国家都在积极进行研究。它的特点是：在非稳态 导热过程中，测出传感器的温度随时间变化的函数关系( 动态曲线) ，然后依据 一定的数学模型，利用电子计算机推算出被测熔体的实际温度。由于传感器测温 时不需要达到热平衡，所以，测温速度快，既可以用普通热电偶代替贵金属热电 偶，降低测温成本，又可以降低对保护管材料耐高温、抗腐蚀的苛刻要求。动态 测温的缺点是利用外推法计算世纪的温度，准确度难以提高。此种方法使用于 2 0 0 0 以上的超高温度测量，其优越性才能得到发挥。这种新的方法有待于进一 步发展完善。 2 ) 连续法钢水温度测量 以上所讲述的是间断测量温度，但近几年来，随着连铸和炉外精炼技术的迅 猛发展，世界各国开始致力于钢水的连续测温。只有连续测温才能及时反映炉内 冶炼过程的温度变化，弥补间断测温的不足。但目前还没有一项成熟的技术能做 到这一点，钢水连续测温一直是亟待解决的重大研究课题之一。国内外该项研究 主要集中在改进热电偶保护套管材质上，近二、三十年来，金属陶瓷材料得到了迅 猛的发展，它的优异性能使其在各种技术领域得到应用，特别在冶金高温领域，金 属陶瓷材料的耐高温、耐侵蚀和抗震性能引起冶金工作者的注意。采用耐高温、 抗渣的金属陶瓷保护套管，然后浸入钢水中测量温度己被证实是可行的。关于钢 水连续测温，以前只在带有等离子加热调温装置的连铸中间包试用，尚未普及。 工业实验结果表明：新研制的温度传感器和上插安装方式用于中间包连续测温是 东北大学硕士学位论文第一章绪论 可行的；连续测温精度与传统的点测方式相比，只要二者插入位置相同，偏差在 2 以内。目前，世界上仅少数国家实现了钢水连续测温，较成功的有日本、 比利时等国家，且钢水连续测温费用高，日本产传感器的价格每只约合人民币2 万元。连续测温传感器的价格过高，无论国内还是国外的钢铁厂都难以承受，t 9 9 6 年以后基本上处于停顿状态。因此，连续测温今后的主攻方向是降低传感器的成 本，提高实用性。 目前，钢水连续测温主要采用热电偶加保护管的方法进行连续监测温度。 1 9 7 4 年我国研制出m o m g o 金属陶瓷热电偶保护管，1 9 7 5 年在鞍山钢铁公司 1 5 0 t 转炉上用更换套管法，两次突破全炉役钢水连续测温。我国转炉钢水连续测 温技术已经达到世界先进水平，但是没有普及。各国主要用于钢水连续测温的热 电偶保护管如表1 1 【2 】所示。 表1 1 钢水测温用热电偶常用保护管 t a b l e l 1t h ec o m m o n p r o t e c t p i p e o f t h c m o c o u p l e u s e d i nc o n t i n u o u s l y m e a s u r i n g o f m o l t e ns t e e l st e n 中e r a t u r e 使用条件可靠性 保护管牌号 设备 温度时间或浇注次数 ( ) 高级耐火材料h c k平炉 ( 1 5 0 0 1 6 5 们 c ( 2 4 h ) 9 0 - - 9 7 高级优质耐火材料 电炉 ( 1 5 0 0 t 7 5 0 ) c ( 05 1 o h ) 9 5 刚玉管( 单管) h k中间包 ( 1 5 5 0 - - 1 6 5 0 ) c 2 ( o 5 2o a ) 8 7 9 9 刚玉管t k盛钢桶 ( 1 5 5 0 1 5 8 0 ) c ( 1 5 - - 2 0 次) 1 0 0 硼化管转炉 ( 1 5 0 0 1 8 0 0 ) ( o 5 1 o h ) 5 0 8 0 氮化硅结合的氧化铝 中间包 保护管 ( 6 h 以上) 间断使用1 1 0 次以上， b n a l 2 0 3 双层保护管 连续测温达1 5 h 据我们所查到的有关资料可以知道，钢水连续测温技术尚为成型。钢水测温 环境恶劣，要实现连续测温，必须解决在特定环境下温度传感器的保护这一技术 难题。到目前为止，各国专家都在专心研制开发各种材料的保护管，且倍受关注 的是金属陶瓷保护管。有了保护管，连续测温才可能成为现实。沈阳东鸣特种测 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 温有限责任公司自行研制的以m o t i a 1 2 0 3 为主的新型金属陶瓷保护管，该保护 管配方独特，烧结加工工艺精细。该保护管的研制成功使钢水连续测温技术得以 进一步完善。 根据我们的调研，目前我国转炉钢水温度测量多采用快速热电偶间断测量， 即所谓的点测方法。同点测相比，连续测温有许多优点：提高转炉终点温度控制 命中率；提高炉龄；减少铁合金消耗量；能提供必要的工艺参数。 1 3 课题来源及本文主要内容 本课题是在由东北大学设备诊断中心申请，并由国家科技部立项的国家科技 型中小企业技术创新基金项目的基础上，应沈阳东鸣特种测温技术有限公司要求 开发的，其主要出发点是和该公司生产特种保护管配套，设计一种用于钢水温度 连续检测的系统，但考虑到实际使用范围越广越好，因此要求此检测系统能用于 不同的被测物质。 本课题主要介绍了钢水连续测温系统的特种测温传感器的设计、多功能智能 化温度测量系统的硬件设计、温度测量系统的软件设计。第一章研究了温度检测 现状和未来发展趋势。第二章主要介绍了特种测温传感器的设计。第三章主要介 绍了多功能智能化温度测量系统的硬件设计。第四章主要介绍了温度测量系统的 软件设计。第五章介绍了相关实验及误差分析，验证了系统的功能，同时分析了 产生误差的各种因素。第六章主要介绍了从本研究中得到的一些结论，并对未来 的发展提出了展望。 东北大学硕士学位论文 第二章特种测温传感器的设计 第二章特种测温传感器的设计 2 1 方案的提出 温度检测领域有许多温度检测方法，被测对象也是多种多样，但考虑到课题 针对的是钢水的温度检测，而钢水温度一般高达1 5 0 0 c 左右，且测温环境恶劣， 所以在开发特种测温传感器时最重要也是最关键的是，该传感器能否在钢水中在 线且长期使用，只有这样才能实现钢水连续测温。要解决这一关键性问题，就要 做好以下方面的事情。首先研究出一种有效的传感器保护管，其次选择合适的感 温元件，最后，考虑所选感温元件的冷端补偿。 2 2 传感器保护管的选择 传感器能否实现连续测温，与保护管的性能休戚相关。因此研究出耐高温耐 浸蚀，价格合理的保护管成为热点研究对象。随着技术的不断进步，在进行非钢 水测量的情况下，检测环境相对较好，可以根据温度选用相应材料的、能满足要 求的保护管以降低成本。保护管材料主要有金属、非金属和金属陶瓷三类。常用 保护管材料及使用条件如表2 1 【2 】所示。 根据表2 1 的内容和现有条件，我想在钢水温度测量方面，选择用金属陶瓷 保护管，因为金属陶瓷保护管弥补了单纯金属和单纯非金属的不足。本课题所设 计的测温系统选用沈阳东鸣特种测温传感器有限责任公司自行研制的以 m o t i a i a 0 3 为主的新型金属陶瓷保护管。该保护管材料配方独特，烧结工艺精 细，其结构采用金属陶瓷保护管和铝碳质防护管等组成的分体组装式测温探头。 这样便于更换，方便测量不同种类的金属熔体温度，经济实用。该保护管的结构 示意图如图2 1 所示。其中金属陶瓷保护管是钢水连续测温的关键部件，它插入 钢水长期连续工作，工作环境恶劣，因此要求其抗高温、抗钢渣熔蚀、耐冲刷、 抗震性好、测温灵敏度高。该金属陶瓷保护管采用m c 9 3 g 型的金属陶瓷材料， 壁厚3 5 m m ，具有良好的使用性能： 1 ) 耐高温、寿命长。可在1 5 0 0 “( 2 1 6 5 0 ( 2 钢水中长期工作，埋入式使用条 6 东北大学硕士学位论文 第二章特种测温传感器的设计 件下最高寿命达5 5 h ，一般为3 0 - - 4 0 h ，再从钢水上面插入条件下使用，其寿命为 攀h 以上，使用最高温度达1 8 0 0 。c 。 表2 1 保护管材料分类及使用条件 t a b l e2 1s o r t sa n d u s i n g c o n d i t i o n o f p r o t e c t t u b e m a t e r i a l 种类材质使用条件 铜和铜合金用于3 0 0 c 以下无浸蚀性介质 无缝钢管使用在6 0 0 以下 不锈钢长期使用温度为8 5 0 c 金属及合金高温不锈钢管可以用于1 1 0 0 铁基、镍基、钴基高温合金 用于1 3 0 0 以下 铂及铂铑合金可以用于1 1 0 0 c 或更高温度 钼、钨、难熔合金非氧化性气氛下的高温领域 氧化物保护管石英管多用于1 0 0 0 以下 对金属有很强的抗腐蚀能力，常用于 氧化物陶瓷s i 3 n 4 保护管 1 2 0 0 1 3 0 0 宜在1 6 5 0 c 以下使用，抗氧化、抗渣 硼化物保护管 非金属保护管 腐蚀性差 碳化物保护管只用于双层管的外保护管 石墨保护管 可以用于钢液、铁水测温 使用于氧化、还原气氛中，可用于1 6 0 0 二硅化钼保护管 以下 常用温度1 6 0 0 ，适用于液态金属， 金属陶瓷保护金属陶瓷 不能用于氧化性气体 管 金属陶瓷l t - 1常用温度1 3 0 0 c ，适用于非金属熔体 金属熔体测温，耐金属腐蚀性好，温 双金属复合 度根据具体使用材料决定 复合保护管金属熔体测温，耐金属腐蚀性好，温 复合陶瓷管 度根据具体使用材料决定 涂层用于高温熔体测温 7 东北大学硕士学位论文第二章特种测温传感器的设计 2 ) 测温灵敏度高。该金属陶瓷管采用适当比例的导热性能良好的金属材料 m o 为主体、以a l 2 0 3 为陶瓷相，并掺加适量的c r 2 0 3 和少量的其它添加物均匀 混合，在等静压机的高压作用下成型，在1 9 0 0 c 的高温下烧制而成。因此所制 成的保护管不仅导热性好，而且强度高、密度大、耐磨、耐高温等，并且管壁薄， 有很好的散热效果。 3 ) 抗震性能好。反复从1 5 0 0 1 7 0 0 的高温钢水中取出和插入1 0 次以 上不炸裂，特别是由环境温度直接插入高温钢水里也不炸裂。 该传感器保护管的结构示意图如图2 1 所示。 瑚摧不黼 图2 1 钢水连续测温传感器保护管示意图 f i g u r e21 t h es k e t c h m a po f p r o t e c tt u b eo f c o n t i n u o u sm e a s u r i n g o f t h et e r a p e r a t u r eo f h o tm e t a l $ e 1 1 s o t 2 3 传感器灵敏元件选择 温度检测有许多方法，但考虑到实际应用于高温测量，同时要将温度信号转 变成电信号来处理，因此采用热电偶来作为检测系统的感温元件。热电偶又有多 种类别，从课题实际要求出发，被测钢水温度高达1 5 0 0 。c 1 6 0 0 。c ，测温环境 恶劣。因此，在选择热电偶时要特别注意热电偶的使用范围、使用气氛等特征。 根据国家标准化热电偶分度表及各种热电偶的性能特征，结合实用型、经济性， 选取钨铼3 一钨铼2 5 热电偶、铂铑3 0 - 铂铑6 ( 双铂铑) 、铂铑1 3 - 铂热电偶等。 表2 2 t 3 给出了以上三种热电偶的温度使用范围，在本系统的应用中，用户可以 根据实际测量温度范围选择合适的热点偶，既满足使用要求又不浪费。 东北大学硕士学位论文 第二章特种测温传感器的设计 表2 2 热电偶使用温度范围 t a b l e2 2 t h e 唧e r a n er a n go f t h e r m o c o u p l e 钨铼3 一钨铼2 5 铂铑3 0 一铂铑6铂铑1 3 铂 名称 ( 分度号：w r e 3 w r e 5 )( 分度号：b )( 分度号：k ) 长期使用温度 2 0 0 01 6 0 01 3 0 0 上限一 短期使用温度 2 8 0 01 8 0 01 6 0 0 上限 2 3 1 钨铼3 一钨铼2 5 热电偶 本着节约国家资源与能源的原则，我个人主张尽可能采用钨铼系列热电偶。 钨铼热电偶具有耐高温，热电势大，热电势与温度的线性关系好，热稳定性好， 价格便宜，可测范围宽( 0 2 0 0 0 。c ) 等特点，并适合于真空、还原和惰性气氛中 测温。钨铼3 一钨铼2 5 热电偶，目前由于生产工艺的改进，国产的热点偶的电 极丝均匀性很好，互换性很强，实现了统一分度，并与国际接轨。钨铼热电偶和 双铂铑热电偶在1 0 0 0 1 8 0 0 c 的分度表对照见表2 3 。 表2 3 钨铼快速热电偶和双铂铑快速热电偶分度表( 参考端温度为o ) t a b l e2 3t h et e n p e i a r i l ev a l u ec o r r e s p o n d e n n i n gv o l t a g ea b o u tw r e a n db p - b nt h e r m o c o u p l e 工作端温 1 1 0 01 2 0 01 3 0 0 1 4 0 01 5 0 01 6 0 01 7 0 01 8 0 0 度 热双 电 铂5 7 8 06 7 8 67 8 4 88 9 5 61 0 0 9 91 1 2 6 31 2 4 3 31 35 9 1 动铑 势 钨 m2 0 2 0 62 2 1 4 32 4 0 3 3 2 58 7 52 7 6 6 62 9 4 0 43 10 8 53 27 0 2 镰 v 廉价的钨铼热电偶具有如下特点： 9 东北大学硕士学位论文 第二章特种测温传感器的设计 1 ) 耐高温，灵敏度高，反应速度快，使用材料全部国产化，价格低廉。 2 ) 钨铼热电偶产生的热电动势比双铂铑热电偶产生的热电动势大，反应速 度快，测试容易，测成率高。 3 ) 用钨铼热电偶需要补正参考端温度。 4 ) 铼热电偶的刻度是在参考端温度为0 。c 时进行的，所以，在测量使用时 要设法保证其参考端温度为o 。c ，但实际使用时很难做到，恒定在某一数值上也 是很困难的，因而就会给测量带来很大的误差。消除这种误差的方法很多，实际 使用时，可以采用补偿导线法，即利用在o 1 0 0 的温度范围内，热电性质与 钨铼热电偶相同的补偿导线，将原参考端温度迁移到温度较低、较恒定的室内， 利用补偿线路进行补偿，从而保证使用时的测量精度。 5 ) 抗氧化能力差，钨铼热电偶极易氧化，适于在惰性或干燥气氛中使用， 或用致密的保护管使之与氧隔绝才能使用。钨铼热电偶热电极丝熔点高( 3 3 0 0 ) ，蒸汽压低，极易氧化；在非氧化性气氛中化学稳定性好。 6 ) 测量精度高，钨铼3 一钨铼2 5 热电偶的电极丝直径通常为o2 o5 m m ， 精度为1 t ，也可达0 5 t 或更高。 基于以上特点，我们在实际应用中，可根据实际要求的精度，选择不同精度 的本系列热电偶。炼钢过程中的钢水温度高达1 5 0 0 。c 左右，为了能够连续测量 高温，必须采用能够耐高温的热电偶，钨铼3 一钨铼2 5 热电偶温度上限很高， 最高使用温度达到2 8 0 0 ，而且稳定性好。钨铼热电偶长期使用的测量温度上 限是2 0 0 0 c ，短期使用的测量温度上限是2 8 0 0 c ，但是，在高于2 3 0 0 。c 时数据 分散，因此最好在2 0 0 0 以下使用。根据该热电偶的特性以及实际使用和安装 情况，完全可以选用该种热电偶进行钢水温度检测。它在2 0 0 0 c 时对应的输出 电压是3 57 0 7 m v 。 2 3 2 铂铑3 0 - 铂铑6 热电偶 该种热电偶是一种典型的高温热电偶，分度号为b 。它的正极为含铑3 0 的 铂铑合金( b p ) ，负极为含铑6 的铂铑合金( b n ) 。两极均为铂铑合金，故称 双铂铑热电偶。该种热电偶的特点是：在室温下电动势极小( 2 5 。c 时为2uv ， 5 0 。c 时为3pv ) ，故在测量时可不用补偿导线，可忽略参考端温度的影响。它的 1 0 东北大学硕士学位论文 第二章特种测温传感器的设计 长期使用温度上限为1 6 0 0 c ，短期使用温度上限为1 8 0 0 c 。铂铑6 合金的熔点 为1 8 2 0 c ，限制其使用上限。双铂铑热电偶的热电动势率较小，因此，需配用 灵敏度较高的显示系统。该热电偶在最高温度时的输出电压为1 3 8 1 4 m v 。 2 3 3 铂铑1 3 一铂热电偶 该热电偶正极为铂铑合金( r p ) ，负极为纯铂( r n ) 。热电性能稳定，抗氧 化性强，宣在氧化性、惰性气氛中使用。它的热电动势率较大，准确等级很高， 它的使用温度范围广、均质性和互换性好。该热电偶常用于高温测量，长期使用 温度范围为1 4 0 0 。c 。该热电偶最高使用温度为1 6 0 0 ，对应的输出电压为 1 88 2 4 m v 。 2 3 4 测温传感器信号引出端的冷却与隔热 1 ) 信号引出端的冷却 测温传感器通常被安装在中间包出水口附近上方，其信号引出端无法避开中 间包烘烤时的火焰及浇铸过程中的热辐射，大板坯连铸中间包的情况更是如此。 为使连续测温正常进行，保证补偿导线处于适宜的温度环境，必须对接线盒进行 冷却，我们采用具有双层结构的冷却管，将上述测温元件装入其中，在夹层中通 入清洁、干燥的空气。 2 ) 隔热罩 烘烤或浇铸时，隔热罩将对接线盒起到隔热及防火焰的保护作用。 2 4 热电偶的测温原理 热电偶是热电温度计的敏感元件。它的测量原理是基于1 8 2 1 年赛贝克发现 的热电现象。两种不同的物体a 和口连接在一起，构成一个闭合回路，当两个接 点1 和2 的温度不同时，如t 7 0 ，在回路中就会产生热电动势，此种现象称为 热电效应，如图2 2 所示。该热电动势就是著名的“赛贝克温差电动势”，简称 “热电动势”，记为e 。导体a 、b 称为热电极。接点1 通常是焊接在一起的， 东北大学硕士学位论文第二章特种测温传感器的设计 测量时将它置于测温场所感受被测温度，故称测量端。接点2 要求温度恒定，称 为参考端。热电偶就是通过测量热电动势来实现温度测量的【4 1 。当两种不同成分 的导体接合成闭合回路时，由于接合点的温度不同，会在闭合回路内产生热电流 物理现象。热电偶由两根不同热电极4 和b 组成，它的一端是焊接的为工作端， 另一端的两根线与二次仪表相接，为参考端，如果工作端与参考端存在温度差时， 二次仪表将会指示出热电偶产生的热电动势。热电偶的热电动势，随工作端温度 的升高而增长，它的大小与热电极直径、长度无关，只与热电偶的电极材料和热 电偶工作端及参考端温度有关。 图2 2 赛贝克效应示意图( t t o ) f i g u r e2 2s k e t c h m a p o f s e e b e e k d e m i n o e f f e c t 2 5 热电偶闭合回路的总电动势 热电偶产生的热电动势实际上是有接触电势和温差电势所组成。援触电动势 是由两种不同材质的导体接触时产生的电势，而温差电动势则是对同一导体当其 两端温度不同时产生的电势。在图2 2 所示的闭合回路中，两个接触点有两个接 触电动势兀。p ) 与f i 。( v o ) ，又因为t 瓦，在导体4 和b 中还各有一个温差电 动势。因此闭合回路总电动势e 。( l 瓦) 应为接触电势与温差电势的代数和，即： 巴a ( r ，。) = 兀”( d 一兀。( 丁。) 一f 。( 仍一国矽 ( 2 1 ) = 兀。( ，) 一f ( & 一西) 刀卜 兀。( r 。) 一r 。( 函一蠡) 玎】 各接点的分热电势e 等于相应的接触电势与温差电势的代数和。 “( d = 兀。( d j ：( 国一o b ) d t ( 2 2 ) “( r 。) = 兀。( 丁。) 一f 。( 仍一。口) d t ( 2 3 ) 1 2 东北大学硕士学位论文第二章特种测温传感器的设计 式中o 为汤姆逊系数，它表示温差为1 ( 或1 k ) 时所产生的电动势值， 它的大小与材料性质及两端温度有关。 在总电动势中，接触电势较温差电势大得多，因此，它的极性也就取决于接 触电势的极性。当丁 丁。时，。( r ) 与总电动势的方向一致，而巳。( t o ) 与总电动 势方向相反，所以总电动势可以表示成公式( 2 4 ) 的形式。 e d 口( r ，r o ) = e h ( r ) 一已一( t o ) = 已一s ( r ) + e “( t o ) ( 2 4 ) 由此可见，热电偶回路的总电动势等于各接点的分电动势的代数和。 e = e ( r ) ( 2 6 ) 对于已选定的热电偶，当参考端温度恒定时，e m ( t o ) 为常数c ，则总电动势 就变成测量端温度丁的单值函数，即： 凸a ( r ，t o ) = e 4 t ) 一c = 厂( d ( 2 6 ) 上式表明，当咒恒定不变时，热电偶所产生的热电动势只随测量端温度变化 而变化，即一定的热电动势对应着一定的温度。在热电偶分度表中，参考端温度 均为06 c 。所以，测量热电动势的办法能够测温，这就是热电偶测温的基本原理。 2 6 热电偶的冷端补偿 2 6 1 热电偶参考端温度的影响 由热电偶的测温原理可知热电偶的输出电压是e a b ( t ，t o ) = 踟( r ) 一知( n ) ， 即，热电偶因温度变化产生的热电动势是测量端温度与参考端温度的函数差，而 不是温度差的函数，那么，当参考端温度恒定时，热电动势就变成测量端温度的 单值函数。我们经常使用的热电偶分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端为0 作为先决条件的，因此，在使用时必须保证这一条件，否则就不能直接应用热 电偶分度表。如果参考端温度是变化的，引入的测量误差也是变量，由此可见， 参考端温度的变化将直接影响到测量准确度。但在实际测温时，因热电偶的长度 受到被测介质与环境温度的影响，不仅其参考端温度难以保持0 。c ，而且往往是 波动的，无法进行参考端温度的修正。因此，要把变化很大的参考端温度所带来 1 3 东北大学硕士学位论文 第二章特种测温传感器的设计 的误差通过采取一定措施予以补偿。 2 。6 2 补偿导线的选择 在一定温度范围内，与所用热电偶的热电特性相同的一对带有绝缘层的导线 称为补偿导线。若与所配用的热电偶正确连接，其作用是将热电偶的参考端延伸 到远离热源或环境温度叫恒定的地方。通过使用补偿导线，可以改善热电偶测温 线路的机械与物理性能，同时降低测温线路的成本。 1 ) 补偿导线的原理 由热电偶测温原理可知，如图2 3a 所示的回路的总电动势为： 邑( ，l ，t o ) = 已b ( r ， ) + b 。，t o ) 而图2 3b 所示的回路的总电动势为： z ( r ，兀，t o ) = e a b ( t ，l ) + e i b ( l ，t o ) 如果 已( ，l ，t o ) = 已( 丁， ，t o ) 则 已b ( 兀，t o ) = 局- b ( l ，t o ) ( 2 7 ) 因此，能满足式( 2 7 ) 要求的连接导线，就能起到补偿导线的作用。 aa a瓦a ， 二b ) r b 兀 b 图2 3 补偿导线原理 f