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(shí)際問題提出一種分析思路,。最后,，提出了解決方案，驗(yàn)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(hù)的難度也隨之增加,，對維護(hù)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(shí).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(yàn)?；诠I(yè)現(xiàn)場巡檢儀溫度跳變的現(xiàn)象,，提出了一種解決實(shí)際問題的思路。
　　某客戶使用氮?dú)夥毡Ｗo(hù)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(dòng),，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?，F(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(dòng)導(dǎo)致爐膛內(nèi)實(shí)際溫度不穩(wěn)定
　　在生產(chǎn)過程中,，由于氣氛的流動(dòng)性，使得低溫區(qū)與高溫區(qū)之間進(jìn)行換熱,，熱能波動(dòng)較大,，從而導(dǎo)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)量問題
　　熱電偶安裝過程可能會(huì)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(diǎn)，導(dǎo)致測溫點(diǎn)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(dāng)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(jī),、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(jìn)行設(shè)置,，設(shè)置不正確會(huì)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(yùn)動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞,。
2)熱對流:流體熱傳遞的主要方式,，通過氣體或液體的流動(dòng)來傳遞熱量，對于給定的面積A,傳熱熱量Q的計(jì)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(xiàn)[4]基于ANASYS有限元分析方法,，對氣氛燒結(jié)爐的溫度場進(jìn)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(huì)通入氣氛對產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù),，因此會(huì)出現(xiàn)溫度波動(dòng)的狀態(tài)，使巡檢儀的示數(shù)也出現(xiàn)波動(dòng),。
　　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(xiàn),。文獻(xiàn)[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?jǐn)?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(xiàn)[6]為了實(shí)現(xiàn)爐內(nèi)溫度場的實(shí)時(shí)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(xiàn)[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(jì)過程中,，應(yīng)當(dāng)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(shí)溫度的均勻性是保障產(chǎn)品高質(zhì)量的前提,，是實(shí)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(yàn)，為窯爐的優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dāng)兩種不同的導(dǎo)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(xiàn)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(xiàn)場測溫環(huán)境氣氛的限制
2)熱電偶的精度難以達(dá)到±0.1%,，因此對于S型熱電偶會(huì)出現(xiàn)超10℃的溫度誤差，當(dāng)氣氛擾動(dòng)時(shí),，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(shí),，由于熱電.勢不穩(wěn)定，將產(chǎn)生示值漂移,，需要進(jìn)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(bǔ)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(jì)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(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(dāng)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(fù)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(dá)到長期測溫的最高使用溫度,，因此,，當(dāng)溫度場發(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(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(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(dòng)力線分開敷一使用屏蔽補(bǔ)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(jì)量不準(zhǔn)確,、通信質(zhì)量降低;重則引起嚴(yán)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(shí)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?。輻射耦合是通過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(huì)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(yàn)是否為電磁干擾,，應(yīng)當(dāng)記錄現(xiàn)場溫度跳變數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(cuò)誤會(huì)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(huì)導(dǎo)致.上位顯示無法接收巡檢儀示數(shù),。
3試驗(yàn)
3.1試驗(yàn)過程
1)將熱偶補(bǔ)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(rèn)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(dòng),。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(shí),，暫停爐內(nèi)進(jìn)氣，穩(wěn)定后觀察巡檢儀溫度,，顯示結(jié)果與未停進(jìn)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(dú)測量一路才穩(wěn)定顯示溫度,。5)客戶現(xiàn)場更換增強(qiáng)型隔離巡檢儀，消除干擾,。
3.2試驗(yàn)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(dòng)導(dǎo)致溫度的變化(若為氣.流波動(dòng)，爐內(nèi)所有的S熱電偶應(yīng)該都波動(dòng)),，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(gè)信號輸入時(shí)，計(jì)算出現(xiàn)錯(cuò)誤,，也就是儀表出現(xiàn)故障,，產(chǎn)生溫度跳變的現(xiàn)象。
5)項(xiàng)目設(shè)計(jì)初期,，儀表選用常規(guī)的非隔離模塊,，但是由于該項(xiàng)目工況復(fù)雜，溫度變送器出現(xiàn)嚴(yán)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(dāng)按照一個(gè)合理的思路來進(jìn)行,，以便更快速準(zhǔn)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(gè)環(huán)節(jié)處理不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致儀表的最終示數(shù)不準(zhǔn)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(yàn)窯爐產(chǎn)品好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，也能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)均勻性好的窯爐提供一定的理論分析,，因此,，應(yīng)當(dāng)加大基于ANASYS對溫度場的研究。在實(shí)際現(xiàn)場,，出現(xiàn)問題時(shí)應(yīng)當(dāng)保存溫度跳變的數(shù)據(jù),，為下一步的理論分析提供一個(gè)好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的建模過程會(huì)更加復(fù)雜,，具體的模型及理論分析有待更深入的研究,。