工業(yè)現(xiàn)場儀表溫度跳變現(xiàn)象分析

摘要:工業(yè)現(xiàn)場情況復(fù)雜，信號的傳輸過程受到各種干擾，存在較多的不確定性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的失真，為工業(yè)現(xiàn)場的安全生產(chǎn)及監(jiān)控帶來困難。針對巡檢儀溫度跳變的現(xiàn)象，從熱電偶信號的傳輸方向來分析溫度跳變可能存在的原因，其中包括溫度場的分析、熱電偶的工作原理、電磁干擾的工作模式，以及儀表內(nèi)部的電氣隔離，為解決工業(yè)現(xiàn)場實際問題提出一種分析思路。最后，提出了解決方案，驗證能夠應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場。該方法對LTCC、HTCC、MLCC等制作領(lǐng)域的燒結(jié)工藝有一定借鑒意義。
0引言
　　工業(yè)設(shè)備朝著復(fù)雜化、智能化發(fā)展，操作和維護的難度也隨之增加，對維護人員的專業(yè)要求也在逐步增高。而工業(yè)現(xiàn)場情況復(fù)雜，如何快速解決實.際出現(xiàn)的問題是現(xiàn)場工作人員需要具備的技能，也是對技術(shù)人員的考驗。基于工業(yè)現(xiàn)場巡檢儀溫度跳變的現(xiàn)象，提出了一種解決實際問題的思路。
　　某客戶使用氮氣氛保護推板爐燒結(jié)磁性材料，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)測量爐膛溫度的巡檢儀上，有四路超過1280℃的通道，顯示溫度持續(xù)在1280~1300℃之間跳動，且變化頻率較快，短至約2s變化一次，不符合爐膛內(nèi)溫度變化特征。其余測量溫度低于1280℃的通道數(shù)值穩(wěn)定，顯示正常。現(xiàn)場使用的測量儀表是巡檢儀，測溫元件為S型熱電偶。熱電偶與儀表的距離約20m。
從多方面分析溫度跳躍的現(xiàn)象，包括:串入附加地電勢導(dǎo)致溫度跳躍，空氣浮力修正的不確定度以及衡量儀器的不確定度導(dǎo)致溫度的跳躍，然而并沒有系統(tǒng)地指出熱電偶信號的傳輸過程，以及全面分析熱電偶溫度跳變的原因。從信號的傳輸路徑來分析溫度跳變的原因?qū)⑹箚栴}簡單化，更適合現(xiàn)場工作人員的調(diào)試。
把溫度信號干擾分為外部干擾和內(nèi)部干擾兩類:外部干擾包括外部線路的電磁干擾、電源干擾及線路接地干擾;內(nèi)部干擾即儀表本身的一些電氣元件(如電源模塊、繼電器及線圈)產(chǎn)生的干擾。
1問題產(chǎn)生的原因
1.1氣流擾動導(dǎo)致爐膛內(nèi)實際溫度不穩(wěn)定
　　在生產(chǎn)過程中，由于氣氛的流動性，使得低溫區(qū)與高溫區(qū)之間進行換熱，熱能波動較大，從而導(dǎo)致測溫點的溫度處于波動狀態(tài)，巡檢儀的示值也處于波動狀態(tài)。
1.2熱電偶安裝或質(zhì)量問題
　　熱電偶安裝過程可能會因人為的因素導(dǎo)致熱電偶已經(jīng)損壞，或者沒有正確選擇測溫點，導(dǎo)致測溫點的溫度不能正確反映爐體內(nèi)溫度的變化，從而出現(xiàn)溫度跳變的情況。
1.3電磁干擾影響信號
　　熱電偶的工作原理是把電壓信號輸入巡檢儀當中，而電壓信號容易受外界電磁信號的干擾，因此附近不能安裝發(fā)電機、變頻器等大功率設(shè)備。
1.4巡檢儀參數(shù)設(shè)置或質(zhì)量問題
　　巡檢儀使用過程中需要對控制通訊參數(shù)和熱電偶型號等進行設(shè)置，設(shè)置不正確會導(dǎo)致巡檢儀的示數(shù)不正確，出現(xiàn)跳變現(xiàn)象。
2理論分析
2.1熱源的溫度場變化
　　熱源的溫度場變化主要原因是由于溫度差的存在導(dǎo)致熱傳遞的產(chǎn)生，主要有三種形式":
1)熱傳導(dǎo):固體熱傳遞的主要方式，通過物體內(nèi)部分子、原子和自由電子等微觀粒子的運動進行熱量傳遞。
2)熱對流:流體熱傳遞的主要方式，通過氣體或液體的流動來傳遞熱量，對于給定的面積A,傳熱熱量Q的計算公式為:
Q=AXhx(ts-tf).(1)
　　式中:h為對流換熱系數(shù);ts、tf為流體溫度。
3) 熱輻射:不需要介質(zhì)的傳熱方式，通過高溫物體表面產(chǎn)生的電磁波傳遞熱能。
 
　　圖1為文獻[4]基于ANASYS有限元分析方法，對氣氛燒結(jié)爐的溫度場進行的模擬與分析。而碳棒加熱有同樣的溫度場分布。在窯爐燒結(jié)過程中，碳棒通過電流加熱升溫，向周圍以熱輻射的方式傳遞能量，溫度場以碳棒為中心，呈現(xiàn)向周圍逐漸遞減的狀態(tài)。
　　窯爐中，各碳棒之間是相互影響的，且在生產(chǎn)過程中會通入氣氛對產(chǎn)品進行保護，因此會出現(xiàn)溫度波動的狀態(tài)，使巡檢儀的示數(shù)也出現(xiàn)波動。
　　鑒于溫度場能夠直觀地反映內(nèi)部溫度的變化趨勢，對需要正確控制溫度的行業(yè)至關(guān)重要，在溫度場的研究方面有大量的文獻。文獻[5]分析了碳化硅熔煉爐的電氣特性，建立了熔爐的物理模型;然后，利用有限差分數(shù)值分析方法，分析了內(nèi)部溫度場隨功率變化的規(guī)律，建立了溫度梯度模型;最后，通過對溫度梯度模型的分析，可以得出碳化硅冶煉過程中產(chǎn)量與能耗之間的關(guān)系。文獻[6]為了實現(xiàn)爐內(nèi)溫度場的實時在線監(jiān)測，闡述了基于聲學(xué)理論的三維溫度場重建原理，介紹了奇異值分解(SingularValueDecomposition,SVD)算法。文獻[7]指出，溫度的均勻性對磷酸鐵鋰的鋰電池有較大的影響，因此，在設(shè)備的設(shè)計過程中，應(yīng)當注重均勻性方面的考慮。然而針對窯爐的溫度場研究較少，窯爐燒結(jié)材料時溫度的均勻性是保障產(chǎn)品高質(zhì)量的前提，是實現(xiàn)節(jié)能減排方案的有效途徑，因此應(yīng)加大在此方面的溫度場的仿真試驗，為窯爐的優(yōu)化設(shè)計提供一定的理論基礎(chǔ)。
2.2熱電偶工作原理及安裝要求
　　熱電偶是工業(yè)過程測溫的主要元器件，主要的工作原理為塞貝克效應(yīng)，當兩種不同的導(dǎo)體A、B在一端焊接組成閉合回路時，如果兩接觸點處于不同溫度，則回路中存在電流流動，此回路為熱電回路，出現(xiàn)的電流為熱電流(如圖2所示)。
 
一般情況下，熱電偶有三個特點:
1)熱電偶受現(xiàn)場測溫環(huán)境氣氛的限制
2)熱電偶的精度難以達到±0.1%，因此對于S型熱電偶會出現(xiàn)超10℃的溫度誤差，當氣氛擾動時，出現(xiàn)溫度跳變的可能性是存在的。
3)在高溫下使用或者長期工作時，由于熱電.勢不穩(wěn)定，將產(chǎn)生示值漂移，需要進行長期檢查與修正，而熱電偶測溫誤差的來源主要包括了熱區(qū)、溫度梯度區(qū)、補償導(dǎo)線區(qū)、參考端、顯示或控制裝置，熱分流現(xiàn)象在窯爐中的影響是可以忽略不計的，因此，主要著重分析溫度梯度區(qū)的影響。溫度梯度常常是不規(guī)則的，在整個回路很少能保持在一個方向，同時，其位置和大小也發(fā)生劇烈的變化。影響熱電偶電分流誤差的因素主要是熱端溫度。當熱端溫度升高時，誤差也會增加。然而，熱電偶的熱電動勢產(chǎn)生在溫度場中，而不是在熱接點處，熱電偶的熱電動勢與溫度梯度場的溫度量值和形狀有關(guān)。S型熱電偶的正極材料為鉑銠10，負極材料為純鉑，主要測溫區(qū)間為0~1600℃。但該熱電偶長期的使用溫度為1300℃，短期最高使用溫度為1600℃。該窯爐測溫為高溫區(qū)間，已經(jīng)達到長期測溫的最高使用溫度，因此，當溫度場發(fā)生微小的變化時，熱電偶的輸出信號會很敏感，易發(fā)生溫度跳變的現(xiàn)象。
　　熱電偶的安裝及配線需要滿足一定的條件，主要包括:1)測量點位置的選擇，要考慮測量端與被測介質(zhì)之間能進行充分的熱交換。2)插入深度的選擇，要考慮傳熱和散熱損失帶來的測量誤差。3)應(yīng)用過程中的安全考慮，要避免劇烈碰撞、顛簸和驟冷驟熱等環(huán)境干擾。4)溫場上限溫度的設(shè)置，盡量不要超過測量范圍上限的三分之二。5)連接線的選擇，長度盡可能短，與動力線分開敷一使用屏蔽補償導(dǎo)線。
2.3電磁干擾對信號的影響
　　隨著半導(dǎo)體開關(guān)電源、晶閘管、變頻器等電力電子器件的廣泛使用，不同頻率和振幅的諧波也相伴而生。這些諧波以電場耦合、磁場耦合的方式對公用電網(wǎng)的元件、各種電氣設(shè)備和通信系統(tǒng)等產(chǎn)生干擾。導(dǎo)致的后果輕則影響設(shè)備的正常工作，包括計量不準確、通信質(zhì)量降低;重則引起嚴重事故，包括信息丟失、火災(zāi)發(fā)生。
　　電磁干擾除了干擾源外，還包括傳播途徑和敏感設(shè)備。敏感設(shè)備是被干擾的對象，在被干擾的同時可能變成新的干擾源。電磁干擾的傳播途徑根據(jù)耦合形式分為傳導(dǎo)耦合與輻射耦合”。傳導(dǎo)耦合需要有導(dǎo)電介質(zhì)形成完整的電路連接，將干擾信號從干擾源傳輸?shù)矫舾衅鳌］椛漶詈鲜峭ㄟ^空間輻射以電磁波的形式將干擾能量發(fā)射到敏感器。
　　巡檢儀是把電壓信號作為輸入信號,在傳輸?shù)倪^程可能會受到其他電磁的干擾，從而導(dǎo)致儀表的示數(shù)出現(xiàn)跳變，為了檢驗是否為電磁干擾，應(yīng)當記錄現(xiàn)場溫度跳變數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行分析。
2.4巡檢儀的出廠設(shè)置
　　巡檢儀通電后需要對參數(shù)進行設(shè)置，常見的設(shè)置有輸入型號的設(shè)置和通訊地址、通訊波特率、PID參數(shù)、各通道的濾波系數(shù)的設(shè)置。巡檢儀的輸入型號設(shè)置錯誤會導(dǎo)致顯示數(shù)值偏差較大甚至無數(shù)值顯示，巡檢儀的通訊參數(shù)不正確會導(dǎo)致.上位顯示無法接收巡檢儀示數(shù)。
3試驗
3.1試驗過程
1)將熱偶補償導(dǎo)線屏蔽層在儀表側(cè)單端可靠接地，溫度跳變問題仍然存在。
2)確認熱電偶測量位置是在爐膛內(nèi)，將測量溫度有跳變的位于1280℃區(qū)域的熱電偶A換至1100℃區(qū)域測量，測量結(jié)果穩(wěn)定顯示800℃，不產(chǎn)生波動。將原1100℃區(qū)域的熱電偶B移至1280℃區(qū)域，測量結(jié)果與熱電偶A測量結(jié)果相似，溫度有跳變。
3)不生產(chǎn)時，暫停爐內(nèi)進氣，穩(wěn)定后觀察巡檢儀溫度，顯示結(jié)果與未停進氣前類似，溫度仍有跳變。
4)檢查巡檢儀的輸入分度號，設(shè)置為S型，與熱電偶-致。拆除3路有溫度跳變的熱電偶B、C、D,只保留1路有溫度跳變的熱電偶A，巡檢儀顯示通道A溫度穩(wěn)定保持在1280℃，不再跳變;繼續(xù)依次插上熱電偶B、C、D,通道A、B、C、D測量溫度均開始跳變。只單獨測量一路才穩(wěn)定顯示溫度。5)客戶現(xiàn)場更換增強型隔離巡檢儀，消除干擾。
3.2試驗結(jié)論分析
1)信號傳輸過程接地，排除接地干擾。
2)各s熱電偶均在高溫區(qū)出現(xiàn)跳變，排除熱電偶出現(xiàn)故障的情況。
3)并非爐內(nèi)氣流波動導(dǎo)致溫度的變化(若為氣.流波動，爐內(nèi)所有的S熱電偶應(yīng)該都波動)，信號源穩(wěn)定。
4)熱電偶平行線路之間發(fā)生耦合的可能性較大，但也可能為巡檢儀的故障問題導(dǎo)致在多個信號輸入時，計算出現(xiàn)錯誤，也就是儀表出現(xiàn)故障，產(chǎn)生溫度跳變的現(xiàn)象。
5)項目設(shè)計初期，儀表選用常規(guī)的非隔離模塊，但是由于該項目工況復(fù)雜，溫度變送器出現(xiàn)嚴重干擾。由于儀表內(nèi)部無電氣隔離，通過提高儀表本身的抗干擾能力解決了問題。
4結(jié)束語
　　工業(yè)現(xiàn)場的情況是復(fù)雜的，因此在處理故障的過程中應(yīng)當按照一個合理的思路來進行，以便更快速準確地解決問題。從信號的產(chǎn)生到傳輸，再到儀器儀表內(nèi)部，中間的各個環(huán)節(jié)處理不當都會導(dǎo)致儀表的最終示數(shù)不準確，影響現(xiàn)場的監(jiān)控及管理人員的判斷。合理按照信號路線來一步步排查將使問題的解決更加簡便。
　　溫度場的檢測是檢驗窯爐產(chǎn)品好壞的一個標準，也能夠為設(shè)計均勻性好的窯爐提供一定的理論分析，因此，應(yīng)當加大基于ANASYS對溫度場的研究。在實際現(xiàn)場，出現(xiàn)問題時應(yīng)當保存溫度跳變的數(shù)據(jù)，為下一步的理論分析提供一個好的試驗數(shù)據(jù)。進一步的建模過程會更加復(fù)雜，具體的模型及理論分析有待更深入的研究。