矿用高压三芯电缆表面温度的测量研究

矿用高压三芯电缆表面温度的测量研究

(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083)

摘要:煤矿井下条件复杂,各种因素对电缆的安全运行造成了影响。三芯电缆没有确定的载流量标准,无法准确判断其运行情况,经常发生了过载运行也无法判断,容易产生电气事故。科学合理的计算电缆的线芯温度,对于判断电缆的运行情况,及时采取措施避免事故发生具有重大意义。

本分通过对井下电缆的调研,对比了三芯电缆与单芯电缆在结构上,敷设方式、负荷类型、运行方式上的差别,依据三芯电缆的特征及传热特性,推导依据三芯电缆表面温度计算线芯温度,测量电缆表面的温度变得至关重要,选用温度传感器测量电缆表皮温度值。

关键词:三芯电缆;温度传感器;矿用高压电缆

1温度传感器主要分类

温度传感器,英文名temperaturetransducer,它的物理特点是能够得到表面的温度值,并把它转换成数学值输出,它的种类很多,有两种分类方法。按测量方式分为接触式与非接触式。按材料分为热电阻与热电偶两类。它的应用范围很广,价格适宜,容易使用。

主要分类

接触式定义为传感器直接与被测物体接触,直接得到温度值。它的工作原理是通过传导或对流达到热平衡,从而直接显示接触部分的温度值。其中生活上应用最多的是温度计。温度计在允许温度值内可测量室内室外的温度,对于测量对象有特别要求,其中对于运动体,体积效的物体,温度值低的物体测量值温度差大,应用较多的温度计有双金属温度计,玻璃液体温度计,压力式温度计,电阻温度计,热敏电阻,温差电偶。它们广泛应用于生活的各个方面,随着低温超导技术的研究,可测量100k以下的温度计也日渐应用,包括低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计对于技术要求高,本身的构造精细,体积小,稳定性好。其中利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件,可用于测量1.7~400K范围内的温度

非接触式它不直接与被测对象接触,是非接触式测温。主要是用在对运动物体,小体积,温度连续变化的物体的温度,也用在温度场测温。生活中基本上是辐射测温仪表。辐射式温度传感器,基本原理是物体向外辐射能量,辐射的能量大小与物体本身的温度正相关,当物体温度越高辐射的能量越大,反之则辐射的能量很小。这种传感器就是根据这种特性制成,为了测量物体的温度,只需把传感器接近被测的物体而不用接触,就能得到物体的温度值,是非接触式测温。

这样的优点有:

(1)不会破坏被测对象的温度场,可测量运动物体的温度和小的被测对象的温度;

(2)这种传感器的测温原理是本身的温度低于实际测量物体的温度,不必考虑因温度过高烧坏传感器的情况。

(3)传感器不用外接电源

(4)测温式传感器和被测物体不用热交换,测温的时间快,传感器灵敏,不用考虑时间不够。

辐射式温度传感器主要有以下三种测温方法:

1比色测温法

原理是找一个被测体的对比物体,求出黑体在波长λ1和λ2下的光谱辐射能量之比,而这个值也是被测体的比值,把黑体的温度称作比色温度。

2亮度测温法

定义为物体都向外有辐射能量,辐射能量的大小与物体本身的温度及波长相关,找到黑体同一波长的光谱辐射能量,此时黑体的温度就称为亮度温度。

3全辐射测温法

定义为物体都向外辐射能量,在不同波长辐射的能量不同,把所有波长的能量相加,把这个值和黑体的所有波长辐射能量和对比,这个黑体的温度就是所要求的的量。

对比三种辐射式传感器的测温方法,可以总结相比较比色测温与亮度测温,全辐射测温的精度低,而比色测温的特性更好,在一定程度可以消除外界的干扰,全辐射测温容易受外界干扰。

辐射式温度传感器可测量高达2500摄氏度的温度,这是接触式温度传感器所无法比拟的,在很多温度测量场合也是唯一的一种测量方法。关于辐射式温度传感器的研究,重点要放在测量的精确性和稳定性方面,将周围环境对测量的影响

降到最低。

非接触式仪表测温具有许多优点,和接触式相比,不需要与被测体进行直接的触碰,不会改变被测体本身的温度数据的分布,而且仪器灵敏,但因为不与测量物体接触,受到测量的距离,介质因数、距离远近的干扰,测量值与数据值有一定的差距。

2温度传感器PT100

温度传感器最主要的用途之一是测量和控制。尤其在工业生产中对过程温度参数的控制更能发挥它的功效。传感器和信号转换器功能不同,当信号转换器作为独立产品时也称为变送器,这是由于工业生产中使用的热电阻和热电偶分度表,是按标准化制作的。热电偶或热电阻是传感器的基本构成,而信号转换器就没有那么简单了。它由三部分组成,信号处理是构成之一外,测量与转换二单元的加入信号转换器才能工作,不同的变送器具有不同的功能。现场总线功能是一种变送器特有功能,配置显示单元可能又是另外一种变送器特有功能。pt100温度传感器就是带传感器的变送器仪表,能将温度变量转换为可传送的输出信号,但此信号必须是按标准化生成的数据信息。

输出信号与温差之间可以用数学中线性函数来表达它们之间的关系,这时两个测量温差的传感器输出的信号与温差之间就是连续函数关系。早期生产的pt100温度传感器呈线性函数关系的电阻值(或电压值)与输出信号基本就是这样一个关系。当没有特别规定情况时,0mA~10mA和4mA~20mA(或1V~5V)的直流电信号定义为标准化信号输出的范围。电动单元组合仪表的变送器不带pt100温度传感器,当变送器需要带传感器,一般采用热电偶或热电阻组成,既方便还简单。像多功能智能型变送器就是它的一种。

测量方法

测量方法中最简单也最通用的方法是恒流恒压法。它广泛的用于传统的仪器仪表的测量。物理学的欧姆定律可以很快计算出Pt100的阻值,从分度表中可以得到温度值。

通用传感器接口芯片非常适用于基于微处理器(MCU)的系统,它比传统方法虽然复杂了一点,但在各分立模块之间可降低材料和设备的数量,比如外接线和耦合器均能节省下来。它只是通过一个MCU兼容的信号输出UTI信息。通用传感器接口芯片的适用性可以举一例子来说明,想计算出阻值从而查到温度,先在UTI的电路上接Pt100,Pt100和参考电阻的比例可以通过MCU得到。这是利用了参考电阻对温度不敏感的特性实现上述工作。

3结束语

电缆线芯温度的推算不得不进行电缆表皮温度的测量,通常采用传感器测量电缆表皮的温度值。并比较了各种温度穿感器的优劣,详细介绍了选用的PT100温度传感器。

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