工業(yè)現場(chǎng)儀表溫度跳變現象分析

摘要:工業(yè)現場(chǎng)情況復雜，信號的傳輸過(guò)程受到各種干擾，存在較多的不確定性，導致數據的失真，為工業(yè)現場(chǎng)的安全生產(chǎn)及監控帶來(lái)困難。針對巡檢儀溫度跳變的現象，從熱電偶信號的傳輸方向來(lái)分析溫度跳變可能存在的原因，其中包括溫度場(chǎng)的分析、熱電偶的工作原理、電磁干擾的工作模式，以及儀表內部的電氣隔離，為解決工業(yè)現場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題提出一種分析思路。最后，提出了解決方案，驗證能夠應用于工業(yè)現場(chǎng)。該方法對LTCC、HTCC、MLCC等制作領(lǐng)域的燒結工藝有一定借鑒意義。
0引言
　　工業(yè)設備朝著(zhù)復雜化、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(zhuān)業(yè)要求也在逐步增高。而工業(yè)現場(chǎng)情況復雜，如何快速解決實(shí).際出現的問(wèn)題是現場(chǎng)工作人員需要具備的技能，也是對技術(shù)人員的考驗?；诠I(yè)現場(chǎng)巡檢儀溫度跳變的現象，提出了一種解決實(shí)際問(wèn)題的思路。
　　某客戶(hù)使用氮氣氛保護推板爐燒結磁性材料，生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現測量爐膛溫度的巡檢儀上，有四路超過(guò)1280℃的通道，顯示溫度持續在1280~1300℃之間跳動(dòng)，且變化頻率較快，短至約2s變化一次，不符合爐膛內溫度變化特征。其余測量溫度低于1280℃的通道數值穩定，顯示正?！，F場(chǎng)使用的測量?jì)x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象，包括:串入附加地電勢導致溫度跳躍，空氣浮力修正的不確定度以及衡量?jì)x器的不確定度導致溫度的跳躍，然而并沒(méi)有系統地指出熱電偶信號的傳輸過(guò)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(lái)分析溫度跳變的原因將使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，更適合現場(chǎng)工作人員的調試。
把溫度信號干擾分為外部干擾和內部干擾兩類(lèi):外部干擾包括外部線(xiàn)路的電磁干擾、電源干擾及線(xiàn)路接地干擾;內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(xiàn)圈)產(chǎn)生的干擾。
1問(wèn)題產(chǎn)生的原因
1.1氣流擾動(dòng)導致?tīng)t膛內實(shí)際溫度不穩定
　　在生產(chǎn)過(guò)程中，由于氣氛的流動(dòng)性，使得低溫區與高溫區之間進(jìn)行換熱，熱能波動(dòng)較大，從而導致測溫點(diǎn)的溫度處于波動(dòng)狀態(tài)，巡檢儀的示值也處于波動(dòng)狀態(tài)。
1.2熱電偶安裝或質(zhì)量問(wèn)題
　　熱電偶安裝過(guò)程可能會(huì )因人為的因素導致熱電偶已經(jīng)損壞，或者沒(méi)有正確選擇測溫點(diǎn)，導致測溫點(diǎn)的溫度不能正確反映爐體內溫度的變化，從而出現溫度跳變的情況。
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、變頻器等大功率設備。
1.4巡檢儀參數設置或質(zhì)量問(wèn)題
　　巡檢儀使用過(guò)程中需要對控制通訊參數和熱電偶型號等進(jìn)行設置，設置不正確會(huì )導致巡檢儀的示數不正確，出現跳變現象。
2理論分析
2.1熱源的溫度場(chǎng)變化
　　熱源的溫度場(chǎng)變化主要原因是由于溫度差的存在導致熱傳遞的產(chǎn)生，主要有三種形式":
1)熱傳導:固體熱傳遞的主要方式，通過(guò)物體內部分子、原子和自由電子等微觀(guān)粒子的運動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞。
2)熱對流:流體熱傳遞的主要方式，通過(guò)氣體或液體的流動(dòng)來(lái)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;ts、tf為流體溫度。
3) 熱輻射:不需要介質(zhì)的傳熱方式，通過(guò)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A(yíng)NASYS有限元分析方法，對氣氛燒結爐的溫度場(chǎng)進(jìn)行的模擬與分析。而碳棒加熱有同樣的溫度場(chǎng)分布。在窯爐燒結過(guò)程中，碳棒通過(guò)電流加熱升溫，向周?chē)詿彷椛涞姆绞絺鬟f能量，溫度場(chǎng)以碳棒為中心，呈現向周?chē)饾u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(guò)程中會(huì )通入氣氛對產(chǎn)品進(jìn)行保護，因此會(huì )出現溫度波動(dòng)的狀態(tài)，使巡檢儀的示數也出現波動(dòng)。
　　鑒于溫度場(chǎng)能夠直觀(guān)地反映內部溫度的變化趨勢，對需要正確控制溫度的行業(yè)至關(guān)重要，在溫度場(chǎng)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，利用有限差分數值分析方法，分析了內部溫度場(chǎng)隨功率變化的規律，建立了溫度梯度模型;最后，通過(guò)對溫度梯度模型的分析，可以得出碳化硅冶煉過(guò)程中產(chǎn)量與能耗之間的關(guān)系。文獻[6]為了實(shí)現爐內溫度場(chǎng)的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監測，闡述了基于聲學(xué)理論的三維溫度場(chǎng)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，在設備的設計過(guò)程中，應當注重均勻性方面的考慮。然而針對窯爐的溫度場(chǎng)研究較少，窯爐燒結材料時(shí)溫度的均勻性是保障產(chǎn)品高質(zhì)量的前提，是實(shí)現節能減排方案的有效途徑，因此應加大在此方面的溫度場(chǎng)的仿真試驗，為窯爐的優(yōu)化設計提供一定的理論基礎。
2.2熱電偶工作原理及安裝要求
　　熱電偶是工業(yè)過(guò)程測溫的主要元器件，主要的工作原理為塞貝克效應，當兩種不同的導體A、B在一端焊接組成閉合回路時(shí)，如果兩接觸點(diǎn)處于不同溫度，則回路中存在電流流動(dòng)，此回路為熱電回路，出現的電流為熱電流(如圖2所示)。
 
一般情況下，熱電偶有三個(gè)特點(diǎn):
1)熱電偶受現場(chǎng)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(huì )出現超10℃的溫度誤差，當氣氛擾動(dòng)時(shí)，出現溫度跳變的可能性是存在的。
3)在高溫下使用或者長(cháng)期工作時(shí)，由于熱電.勢不穩定，將產(chǎn)生示值漂移，需要進(jìn)行長(cháng)期檢查與修正，而熱電偶測溫誤差的來(lái)源主要包括了熱區、溫度梯度區、補償導線(xiàn)區、參考端、顯示或控制裝置，熱分流現象在窯爐中的影響是可以忽略不計的，因此，主要著(zhù)重分析溫度梯度區的影響。溫度梯度常常是不規則的，在整個(gè)回路很少能保持在一個(gè)方向，同時(shí)，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(shí)，誤差也會(huì )增加。然而，熱電偶的熱電動(dòng)勢產(chǎn)生在溫度場(chǎng)中，而不是在熱接點(diǎn)處，熱電偶的熱電動(dòng)勢與溫度梯度場(chǎng)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，主要測溫區間為0~1600℃。但該熱電偶長(cháng)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間，已經(jīng)達到長(cháng)期測溫的最高使用溫度，因此，當溫度場(chǎng)發(fā)生微小的變化時(shí)，熱電偶的輸出信號會(huì )很敏感，易發(fā)生溫度跳變的現象。
　　熱電偶的安裝及配線(xiàn)需要滿(mǎn)足一定的條件，主要包括:1)測量點(diǎn)位置的選擇，要考慮測量端與被測介質(zhì)之間能進(jìn)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(lái)的測量誤差。3)應用過(guò)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(chǎng)上限溫度的設置，盡量不要超過(guò)測量范圍上限的三分之二。5)連接線(xiàn)的選擇，長(cháng)度盡可能短，與動(dòng)力線(xiàn)分開(kāi)敷一使用屏蔽補償導線(xiàn)。
2.3電磁干擾對信號的影響
　　隨著(zhù)半導體開(kāi)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(chǎng)耦合、磁場(chǎng)耦合的方式對公用電網(wǎng)的元件、各種電氣設備和通信系統等產(chǎn)生干擾。導致的后果輕則影響設備的正常工作，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、火災發(fā)生。
　　電磁干擾除了干擾源外，還包括傳播途徑和敏感設備。敏感設備是被干擾的對象，在被干擾的同時(shí)可能變成新的干擾源。電磁干擾的傳播途徑根據耦合形式分為傳導耦合與輻射耦合”。傳導耦合需要有導電介質(zhì)形成完整的電路連接，將干擾信號從干擾源傳輸到敏感器。輻射耦合是通過(guò)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,在傳輸的過(guò)程可能會(huì )受到其他電磁的干擾，從而導致儀表的示數出現跳變，為了檢驗是否為電磁干擾，應當記錄現場(chǎng)溫度跳變數據，再對數據進(jìn)行分析。
2.4巡檢儀的出廠(chǎng)設置
　　巡檢儀通電后需要對參數進(jìn)行設置，常見(jiàn)的設置有輸入型號的設置和通訊地址、通訊波特率、PID參數、各通道的濾波系數的設置。巡檢儀的輸入型號設置錯誤會(huì )導致顯示數值偏差較大甚至無(wú)數值顯示，巡檢儀的通訊參數不正確會(huì )導致.上位顯示無(wú)法接收巡檢儀示數。
3試驗
3.1試驗過(guò)程
1)將熱偶補償導線(xiàn)屏蔽層在儀表側單端可靠接地，溫度跳變問(wèn)題仍然存在。
2)確認熱電偶測量位置是在爐膛內，將測量溫度有跳變的位于1280℃區域的熱電偶A換至1100℃區域測量，測量結果穩定顯示800℃，不產(chǎn)生波動(dòng)。將原1100℃區域的熱電偶B移至1280℃區域，測量結果與熱電偶A測量結果相似，溫度有跳變。
3)不生產(chǎn)時(shí)，暫停爐內進(jìn)氣，穩定后觀(guān)察巡檢儀溫度，顯示結果與未停進(jìn)氣前類(lèi)似，溫度仍有跳變。
4)檢查巡檢儀的輸入分度號，設置為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溫度穩定保持在1280℃，不再跳變;繼續依次插上熱電偶B、C、D,通道A、B、C、D測量溫度均開(kāi)始跳變。只單獨測量一路才穩定顯示溫度。5)客戶(hù)現場(chǎng)更換增強型隔離巡檢儀，消除干擾。
3.2試驗結論分析
1)信號傳輸過(guò)程接地，排除接地干擾。
2)各s熱電偶均在高溫區出現跳變，排除熱電偶出現故障的情況。
3)并非爐內氣流波動(dòng)導致溫度的變化(若為氣.流波動(dòng)，爐內所有的S熱電偶應該都波動(dòng))，信號源穩定。
4)熱電偶平行線(xiàn)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(wèn)題導致在多個(gè)信號輸入時(shí)，計算出現錯誤，也就是儀表出現故障，產(chǎn)生溫度跳變的現象。
5)項目設計初期，儀表選用常規的非隔離模塊，但是由于該項目工況復雜，溫度變送器出現嚴重干擾。由于儀表內部無(wú)電氣隔離，通過(guò)提高儀表本身的抗干擾能力解決了問(wèn)題。
4結束語(yǔ)
　　工業(yè)現場(chǎng)的情況是復雜的，因此在處理故障的過(guò)程中應當按照一個(gè)合理的思路來(lái)進(jìn)行，以便更快速準確地解決問(wèn)題。從信號的產(chǎn)生到傳輸，再到儀器儀表內部，中間的各個(gè)環(huán)節處理不當都會(huì )導致儀表的最終示數不準確，影響現場(chǎng)的監控及管理人員的判斷。合理按照信號路線(xiàn)來(lái)一步步排查將使問(wèn)題的解決更加簡(jiǎn)便。
　　溫度場(chǎng)的檢測是檢驗窯爐產(chǎn)品好壞的一個(gè)標準，也能夠為設計均勻性好的窯爐提供一定的理論分析，因此，應當加大基于A(yíng)NASYS對溫度場(chǎng)的研究。在實(shí)際現場(chǎng)，出現問(wèn)題時(shí)應當保存溫度跳變的數據，為下一步的理論分析提供一個(gè)好的試驗數據。進(jìn)一步的建模過(guò)程會(huì )更加復雜，具體的模型及理論分析有待更深入的研究。