马伟东，吴胜华，吴 科

（1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210032；2.南京国电南自维美德自动化有限公司，南京 210032）

0 引言

温度是火力发电厂重要控制和监视的参数之一，多年来温度测量技术得到了快速的发展，其测量装置、测量手段也从单一的测量功能向多样化、智能化和高精度方向发展。

火力发电厂主要使用热电偶和热电阻两种测温元件作为主力来完成锅炉、汽机、水泵、水温、气温、厂房等全厂设备和环境的必要的温度采集。

热电偶将温度信号转换为毫伏级别的电压信号，电压信号连接至温度测量板卡进行温度测量。因测量特性，当前常规测量方式均需要在测量板卡处进行热电偶冷端补偿。

对各种水温、气温、工况温度、设备工作温度等的温度测量在火力发电厂中具有至关重要的作用，更精密更高等级的测量精度需求变得越来越重要。

1 冷端补偿方案现状

热电偶是火力发电厂中温度测量仪表中最常用的测温元件，热电偶测量温度，将温度转换为毫伏级别的电压信号，通过热电偶测量板卡转换成被测媒介的温度值。在火电厂温度测量中，热电偶元件应用非常广泛，因为其具有结构比较简单、生产方便、测量的范围比较广、精度比较高、惯性很小，且出口信号可以远距离传播的优点。

热电偶两端所产生的热电势的大小是热端和冷端温度的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定；热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0℃为依据的，否则即会产生误差。火力发电厂内，测量板卡通常处于空调房之下，冷端温度多无法实现标准的0℃，故测量热电势差变小，测量不准，通常均需要进行冷端补偿操作[1]，获得准确的测量温度值。

现阶段，火力发电厂会用到大量的热电偶采集板卡，不同厂家、不同类型的热电偶采集板卡采用的补偿方法也各有不同，例如：板卡上设计有专用热电组器件，使用该热电组器件来采集板卡工作的环境温度，但通常整个板卡只设计1 ～2 个热电阻器件。或者板卡上放置有专用的测温芯片，该芯片可直接对温度信号进行测量并将测量后的温度值通过数字通讯协议传送给处理器等。同时，目前常用的冷端补偿信号的叠加方案主要有[2,3]：①板卡内设置单个温度采集点，将板卡内测量得到的单个冷端补偿环境温度换算得到的电动势值与板卡内各测点测量所得电动势值直接进行数字累加，从而得到该测点实际的热电偶电动势值，从而得到被测温度值；②板卡内放置两个温度采集点，将测量板卡内两个环境温度测量点所得温度进行取平均值操作，同样按上述方式将电动势值直接进行累加，从而得到该测点实际的热电偶电动势值，从而得到被测温度值[4]。

火力发电厂内温度测点众多，从经济性方面考虑，通常会使用大型多点热电偶测量板卡进行热电偶采集测量，这些板卡往往有如下特点：

1）在同一板卡内集成设计有多个热电偶测点。例如8个测点、16 个测点甚至32 个测点。

2）部分设计内板卡尺寸比较大。紧凑型设计或测点数相对较少的板卡，相对可保证小的板卡设计尺寸，但诸如测点数量多或者一些老系统的延续性设计，板卡尺寸会比较大。

3）板卡内的多个测点位置相对分布排列，多个测点在板卡内通常会进行均匀排布。

图1 DCS屏柜内气流引起温度不均图Fig.1 Temperature unevenness caused by air flow in DCS panel

大型多点热电偶测量板卡在火电厂实际应用中，可能被放置于多种不同的物理位置，可水平放置，可竖直放置，可被放置于空旷环境内，也可能被放置在密闭屏柜内。诸如密闭屏柜内，屏柜内往往上下放置有多层板卡，热气流的上升特性会导致盘柜内部各点温度有明显差异，屏柜上部温度通常高于屏柜下部温度。同时，在诸如DCS（分散控制系统）、PLC 等应用场合，大型多点热电偶测量板卡通常做为单类型板卡与其它各种类型的板卡组合为一个测量控制系统使用，其它类型板卡在物理位置上可紧靠热电偶采集板卡放置，这些其它类型板卡由于自身元器件排布而引起的热量不均情况（处理器、供电电源等部分温度会明显高于板卡内其它工作回路）会进一步扩散至相邻的大型多点热电偶测量板卡（在DCS 柜中应用参见图1），该情况会进一步引起大型多点热电偶测量板卡上各测点所处环境温度产生进一步的不均匀情况，如果不对上述这些特殊情况进行精细化处理，而是粗犷地将整个板卡采用单一环境温度测量接口或使用两个温度测量接口简单取平均等方式进行温度补偿，其最终的冷端补偿结果会比较粗糙，精度及精细度均有待提高。

2 改进的补偿方案

为改进上述相对粗犷的大型热电偶测量板卡内部冷端补偿精度，设计了如下改进方案，目的在于克服现有技术中的不足，对冷端补偿精度进行改进。所使用的精细化的冷端补偿方案介绍如下：

首先，将大型板卡按板卡内测点数量可等分可不等分划分为多个冷端补偿区间。在各冷端补偿区间内，采集区间边界首尾两处的冷端环境温度，选取其中一处温度值作为本区间的基准冷端补偿温度，同时计算出其与另一处温度的差值；将温度差值按照区间内包含的测点数进行等分，获得各区间的测点间基准冷端补偿温度差值；依据各区间的基准冷端补偿温度、测点间基准冷端补偿温度差值以及各测点的区间内测点编号，即可精确化计算出各区间内各测点的冷端补偿温度。

图2 改进的温度补偿方案示例Fig.2 Example of improved temperature compensation scheme

参考图2 所示意的实际设计示例，介绍改进的实现方案。

首先，将屏柜内的大型多点热电偶测量板卡中多个测点按照物理位置进行排序，例如从上到下分为测点01 到测点XX，之后将所有测点按物理顺序划分为多个小的温度补偿区间。如图2 所示，温度补偿区间01 内包含测点01 ～04，温度补偿区间02 内包含测点05 ～10，温度补偿区间03 内包含测点10 ～13，……，根据各测点在板卡内部及外部的实际工况，各温度补偿区间内测点数量可相同可不相同，此处不再一一列举。

在各温度补偿区间内首尾处分别放置环境温度采集接口进行环境温度采集，从而获得本温度补偿区间边界首尾处的环境温度。

然后按序为每个温度补偿区间内测点分配区间内部测点编号。例如示例中温度补偿区间2 包含测点05 ～10，本温度补偿区间内包含6 个测点，温度补偿区间内部编号为00-01-02-03-04-05。

温度补偿区间02 内，采集到测点05 的温度值为T2=21℃，测点10 的温度值为T1=20℃。

下方测点的温度小于上方的测点温度，选取下方T1 作为本温度补偿区间的[基准冷端补偿温度]，(T2-T1)/5=0.2℃为本温度补偿区间测点间基准冷端补偿温度差值。

基于上述方案，测点06 冷端补偿温度T= [基准冷端补偿温度]+区间内测点编号×[测点间基准冷端补偿温度差值]=20+4×0.2℃=20.8℃，测点09 冷端补偿温度T= [基准冷端补偿温度]+区间内测点编号×[测点间基准冷端补偿温度差值]=20+1×0.2℃=20.2℃。

可以看出，如果使用传统的温度补偿方案，则测点06和测点09 将会使用相同的温度补偿值，而使用本方案进行的温度补偿，测点06 和09 将获得不同的温度补偿值，该补偿值相比传统方案将精细得多。

通过本方案，大型多点热电偶测量板卡内各测点可获得更精细的补偿温度，而不再是板卡内全部测点使用同一补偿温度值或使用诸如两个温度补偿值的平均值。

3 结论

与目前各厂家所使用的冷端补偿方式相比，本方案将大型多点热电偶测量板卡全部测点在板卡内细分为多个温度补偿区间，同时，在各温度补偿区间内部，再一次按测点数进行区间细分，通过如上两个改进方式获得最终的冷端补偿温度。方案通过更精细化的操作方法来提高板卡内各测点的冷端温度补偿精度，使用该方案制作的大型多点热电偶测量板卡已进行工程实践应用，具有较高的实用性和市场价值。