加熱爐熱電偶案例分析

摘要:熱電偶的快速響應特性使其在工業(yè)過程測量中有非常廣泛的應用,然而由于毫伏信號的傳輸存在易受干擾影響的性質,在實際使用中經常遇到干擾的問題。文章就加熱爐熱電偶使用中的故障案例,討論了熱電偶的測量原理,測量回路以及屏蔽層的干擾問題,針對該案例中的故障找到了產生的原因,即電纜屏蔽層的腐蝕以及虛接。之后提出了解決方法，優(yōu)化屏蔽層接線形式，并對屏蔽層實施保護性措施。該處理方法在后續(xù)的生產實踐中得到了驗證,大大降低了加熱爐熱電偶的故障率。
0引言
　　在工業(yè)測量與控制中,對儀表的穩(wěn)定性、可靠性.精確度要求越來越高。鎧裝熱電偶是溫度測量中應用最廣泛的溫度元器件之一,其主要特點是測量范圍寬,物理性能穩(wěn)定,并且結構簡單,設備的動態(tài)響應較好,可以傳遞4~20mA的電流信號,便于工業(yè)現(xiàn)場應用;可彎曲安裝使用;測量范圍大;機械強度高,耐壓性能好都是鎧裝熱電偶的優(yōu)勢。
　　介紹了熱電偶的安裝,常見故障及處理方法。闡述抽氣式熱電偶在軋鋼中的作用。給出了熱電偶檢定爐發(fā)展展望,指出熱電偶檢定爐發(fā)展應從理論、系統(tǒng)化設備、自動化程序進行多角度、系統(tǒng)性的規(guī)劃和架構。以上介紹了熱電偶安裝施工和應用前景,但是在使用過程中,出現(xiàn)信號干擾影響使用等問題如何排查,如何定位等均沒有介紹。從工程使用的角度出發(fā),介紹了在出現(xiàn)熱電偶使用故障時如何進行排查,最終提出了解決方案。
1熱電偶測量原理
　　熱電偶的測溫原理基于1821年塞貝克(Seebeck)發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象4。將兩種不同的導體或半導體A和B的兩端相接組成如圖1所示閉合回路,就組成了熱電偶。當測量端A和B的兩端溫度不同，則在該回路中就會產生電流。這表明了該回路中存在電動勢，這個物理現(xiàn)象稱為熱電效應，相應的電動勢稱為熱電動勢。制成熱電偶的A和B的導體或半導體被稱為熱電偶的熱電極,安裝在被測介質中測量溫度的節(jié)點叫做測量端或被稱為工作端或熱端。另一端節(jié)點常置于恒定的溫度環(huán)境中,叫做參考端又稱自由端或冷端。
 
　　熱電偶回路的熱電勢,對A、B兩種導體構成的熱電偶回路中,總熱電勢包括兩個接觸電勢和兩個溫差電勢。
 
　　實際使用時,以0℃為冷端基準溫度。如果冷端溫度非0℃時,按照公式(2)修正。
 
　　式中:E(t,t0)為實際熱電勢;E(t,0)為工作端溫度對應0℃的熱電勢值;E(t0,0)為冷端溫度對應0℃的熱電勢值。
　　如果參考端溫度(t0)保持恒定,則:
 
從中可以看出:
(1)熱電偶兩電極材料相同,無論熱電偶兩端溫度如何,熱電偶回路總熱電勢為零;
(2)如果熱電偶兩端溫度相同,即使A、B電極材料不同，熱電偶回路內的總熱電勢仍然為零。
　　正常情況下，熱電偶的接觸電勢要遠大于其溫差電勢,所以熱電偶的熱電勢極性與接觸電勢的極性相同。所以在兩個熱電極中,相對電子密度大的電極導體呈現(xiàn)正極狀態(tài)，而電子密度小的導體呈現(xiàn)負極狀態(tài)。
2案例分析
2.1加熱爐介紹
　　在冶金行業(yè)中，加熱爐是指把金屬加熱到軋制要求溫度下的工業(yè)燃燒爐,包括連續(xù)加熱爐和室式加熱爐等形式。而加熱爐在燃燒過程中,隨著使用年限的增加，部分爐體可能會被燒穿,從而造成安全事故。而在加熱爐的爐壁中,根據最熱點排布情況安裝熱電偶,進行溫度測量,從材料學和熱傳導等知識,從測量到的溫度可以推測爐壁的好壞。當熱電偶測量溫度超過警戒線時，必須立即進行停爐檢查。當熱電偶測量到的溫度急劇.上升等特殊情況時，必須將加熱爐立即停止工作,查看:是否出現(xiàn)險情。所以,熱電偶的測量溫度對加熱爐安全生產至關重要。但當熱電偶出現(xiàn)問題,測量溫度與實際溫度不符,會出現(xiàn)警告報錯,這樣會影響企業(yè)的正常生產。
2.2故障現(xiàn)象
　　現(xiàn)場安裝的加熱爐爐壁溫度測量熱電偶,為K型熱電偶。有一只編號為02的熱電偶,在測量過程中，突然出現(xiàn)測量溫度急劇升高的現(xiàn)象,最后溫度定格在滿量程。經過檢修人員現(xiàn)場查看,加熱爐爐壁并未出現(xiàn)燒穿爐壁等現(xiàn)場,沒有出現(xiàn)安全事故,并且熱電偶為正常工作狀態(tài),連接熱電偶的溫度檢測儀表也為正常狀態(tài)。第一次出現(xiàn)上述現(xiàn)象,舊熱電偶經過斷電重新安裝,檢測的溫度為正常值,但是過了一段時間該02號熱電偶又經常出現(xiàn)上述現(xiàn)象,并且經過斷電熱電偶,重新安裝后再無法恢復正常檢測狀態(tài)。現(xiàn)場也試圖更換了新熱電偶,新檢測儀器后，上位機顯示測量溫度仍為系統(tǒng)最高值,彈出緊急處理對話框。這個明顯于加熱爐實際工況不符。
2.3處理過程
(1)在加熱爐現(xiàn)場測量熱電偶探頭的毫伏電壓，根據理論公式換算爐壁的理論溫度與紅外測溫槍測量的爐壁的實際溫度基本一致，從而判斷熱電偶為正常并未損壞。
(2)在機柜間接線端子處，斷開上位機現(xiàn)場來源信號,測量毫伏電壓換算成理論溫度值與爐壁實際溫度一致,從而判斷從現(xiàn)場到機柜間電纜回路正常無故障。
(3)判斷DCS系統(tǒng)信號通道是否存在問題,在機柜間接線端子排處，斷開熱電偶段連接,將信號發(fā)生器連接到DCS信號端子.上,用信號發(fā)生器模擬出熱電偶信號,DCS顯示的溫度與信號發(fā)生器給的溫度基本一致,判斷DCS系統(tǒng)通道正常。
(4)加熱爐溫度檢測的關鍵節(jié)點和通路檢查都屬于正常范圍,但上位機顯示溫度卻出現(xiàn)了慢慢顯示為最大值現(xiàn)象,據此懷疑可能是電磁有干擾造成。
(5)重新恢復回路后查看,發(fā)現(xiàn)溫度恢復正常,使用一段時間后，重復出現(xiàn)上述故障,重新進行測量排查，現(xiàn)場測量熱電偶正常,測量熱電偶沒有接地現(xiàn)象,對地測量電壓也為0。在機柜間端子排處測量發(fā)現(xiàn),熱電偶線路毫伏電壓正常,但是對地測量時有阻值,且該阻值一直在幾十歐姆上下波動變化,測量對地的電壓信號也有相對穩(wěn)定的毫伏電壓，判斷確定問題是由于該干擾電壓產生。對該干擾電壓進行檢查,拆開機柜間電纜屏蔽層接線發(fā)現(xiàn)幾乎無變化，判斷不是由于機柜間屏蔽層引起。排查現(xiàn)場回路,現(xiàn)場儀表表頭接線正常,無裸露接地,屏蔽層也包裹完好。順著電纜繼續(xù)查找干擾源,理線查找中發(fā)現(xiàn)該表在進加熱爐區(qū)域前經過一中間接線箱,打開中間接線箱查看,發(fā)現(xiàn)該接線箱內電纜多數(shù)屏蔽層都有腐蝕現(xiàn)象,而檢查的該表電纜屏蔽層腐蝕最為嚴重,已出現(xiàn)斷裂虛接,重新剝線并處理該處屏蔽層接線后,溫度恢復正常,且之后未出現(xiàn)相同故障現(xiàn)象。
2.4處理結果
　　將中間接線箱處的分屏蔽層以及總屏蔽層電纜重新剝開,并對其進行烘干處理,然后將屏蔽層進行絕緣處理,對電纜進行重新接線,上電后上位機顯示恢復正常。經過一段時間的正常使用,并且定期檢查該儀表中間接線箱,再沒有發(fā)現(xiàn)屏蔽層出現(xiàn)新的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn),而且02號熱電偶一直運行穩(wěn)定正常。判斷故障處理成功。
3故障分析
　　現(xiàn)場加熱爐熱電偶為鎧裝式熱電偶,具體的測量回路流程圖如圖2所示,從現(xiàn)場熱電偶引出一根2x1.5mm²K型補償電纜連接到現(xiàn)場加熱爐的中間接線箱,在接線箱處與來自機柜間的6x(2x1.5)mm²多芯K型補償電纜連接,通過柜間端子排,再將溫度信號接人溫度變送安全柵,將測量的毫伏信號轉換為標準的4~20mA信號,最后該4~20mA信號進入AI卡件，然后通訊至服務器進行處理,發(fā)送至各操作終端。
 
　　現(xiàn)場采用的信號電纜為雙絞屏蔽線,雙絞屏蔽線能減少感性耦合引起的干擾。雙絞屏蔽線對自身產生的磁場或外部磁場千擾都能很好的抗干擾性。根據設計規(guī)范規(guī)定,現(xiàn)場采用的屏蔽層單端接地形式,所有信號電纜統(tǒng)一在機柜間接地。該案例中中間接線箱處進行了分屏蔽層的對接處理以及總屏蔽層的工作接地,在機柜間中也進行了分屏蔽層的保護接地以及總屏蔽層的工作接地。整個儀表回路的接線以及接地情況'是符合相關規(guī)范要求的。而之所以出現(xiàn)了信號干擾，則是由于在中間接線箱的屏蔽層處發(fā)生了電化學腐蝕,從而使屏蔽層中產生了相應的電勢。且電化學腐蝕發(fā)生的同時，也伴隨有化學腐蝕的同步發(fā)生。在這兩種腐蝕的同步發(fā)生中,使屏蔽層不再是單端接地,變相形成了屏蔽層雙端接地情況，在屏蔽層雙端接地情況下，金屬屏蔽層不會產生感應電壓,但當金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產生屏蔽環(huán)流。如果接地兩端的電勢不相等,將形成很大的電勢環(huán)流,環(huán)流會對信號產生抵消衰減效果。
　　深入探討分析,該中間接線箱處為什么會形成電化學腐蝕，電化學腐蝕需要金屬和電解質組成兩個電極,形成腐蝕原電池。在該案例中屏蔽層由金屬銅絲構成,滿足了電化學腐蝕對金屬的要求，接線箱中的氧氣成分可以作為電解質。但是正常情況下，接線箱中的氧氣含量所形成的電解質不足以發(fā)生這么嚴重的電化學腐蝕。經深入檢查發(fā)現(xiàn)，接線箱中的多芯電纜接頭處,腐蝕嚴重,剝開發(fā)現(xiàn)絕緣層下仍然有較為嚴重的，腐蝕現(xiàn)象。正常情況下是不應存在這樣的現(xiàn)象,其原因也只能是因為施工電纜敷設期間未對剪開的電纜接頭做保護措施，施工期間電纜接頭長時間暴露在復雜的現(xiàn)場施工環(huán)境中,歷經了雨水的淋濕及浸泡，所以導致電纜接頭夾層處含水超標。且未在接線時發(fā)現(xiàn)該段電纜夾層中含水超標從而未進行處理，所以該電纜屏蔽層一直處于一個濕潤潮濕的環(huán)境中。這就構成了發(fā)生化學腐蝕及電化學腐蝕的外在條件,從而導致了本次故障的發(fā)生。
4結語
　　綜上所述,本文依據加熱爐的故障為工程實例，將產生故障的可能性進行了一一排除,根據現(xiàn)場實驗,找到熱電偶檢測信息在上位機總是顯示最大值的原因,并解決了這個熱電偶故障。并通過深入分析,解釋了導致本次故障的根本原因,總結了事故經驗,為今后的施工和工程使用提供了依據和經驗。隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展以及5G技術的普及,對測量回路的故障率以及穩(wěn)定性有著越來越高的要求，當測量儀表在逐步滿足工業(yè)生產要求時，與之配套的儀表回路各部分的性能也必須提高。在項目實踐中不斷地發(fā)現(xiàn)、總結、優(yōu)化,從而使整個測量回路能夠滿足新時代的使用要求。在科技水平提高的基礎上實現(xiàn)性能的全面強化,在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮積極的推動作用，一定程度上增強工業(yè)產品自身的環(huán)保性能和安全性。