工業現場儀表溫度跳變現象分析

摘要:工業現場情況復雜，信號的傳輸過程受到各種干擾，存在較多的不確定性，導致數據的失真，為工業現場的安全生產及監控帶來困難。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，以及儀表內部的電氣隔離，為解決工業現場實際問題提出一種分析思路。最后，提出了解決方案，驗證能夠應用于工業現場。該方法對LTCC、HTCC、MLCC等制作領域的燒結工藝有一定借鑒意義。
0引言
　　工業設備朝著復雜化、智能化發展，操作和維護的難度也隨之增加，對維護人員的專業要求也在逐步增高。而工業現場情況復雜，如何快速解決實.際出現的問題是現場工作人員需要具備的技能，也是對技術人員的考驗。基于工業現場巡檢儀溫度跳變的現象，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磁性材料，生產過程中發現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，顯示正常。現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儀器的不確定度導致溫度的跳躍，然而并沒有系統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將使問題簡單化，更適合現場工作人員的調試。
把溫度信號干擾分為外部干擾和內部干擾兩類: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)產生的干擾。
1問題產生的原因
1.1氣流擾動導致爐膛內實際溫度不穩定
　　在生產過程中，由于氣氛的流動性，使得低溫區與高溫區之間進行換熱，熱能波動較大，從而導致測溫點的溫度處于波動狀態，巡檢儀的示值也處于波動狀態。
1.2熱電偶安裝或質量問題
　　熱電偶安裝過程可能會因人為的因素導致熱電偶已經損壞，或者沒有正確選擇測溫點，導致測溫點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電機、變頻器等大功率設備。
1.4巡檢儀參數設置或質量問題
　　巡檢儀使用過程中需要對控制通訊參數和熱電偶型號等進行設置，設置不正確會導致巡檢儀的示數不正確，出現跳變現象。
2理論分析
2.1熱源的溫度場變化
　　熱源的溫度場變化主要原因是由于溫度差的存在導致熱傳遞的產生，主要有三種形式":
1)熱傳導:固體熱傳遞的主要方式，通過物體內部分子、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;ts、tf為流體溫度。
3) 熱輻射:不需要介質的傳熱方式，通過高溫物體表面產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，呈現向周圍逐漸遞減的狀態。
　　窯爐中，各碳棒之間是相互影響的，且在生產過程中會通入氣氛對產品進行保護，因此會出現溫度波動的狀態，使巡檢儀的示數也出現波動。
　　鑒于溫度場能夠直觀地反映內部溫度的變化趨勢，對需要正確控制溫度的行業至關重要，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，利用有限差分數值分析方法，分析了內部溫度場隨功率變化的規律，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量與能耗之間的關系。文獻[6]為了實現爐內溫度場的實時在線監測，闡述了基于聲學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，在設備的設計過程中，應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，窯爐燒結材料時溫度的均勻性是保障產品高質量的前提，是實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的仿真試驗，為窯爐的優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
　　熱電偶是工業過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，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)熱電偶受現場測溫環境氣氛的限制
2)熱電偶的精度難以達到±0.1%，因此對于S型熱電偶會出現超10℃的溫度誤差，當氣氛擾動時，出現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.勢不穩定，將產生示值漂移，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、溫度梯度區、補償導線區、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，在整個回路很少能保持在一個方向，同時，其位置和大小也發生劇烈的變化。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。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，已經達到長期測溫的最高使用溫度，因此，當溫度場發生微小的變化時，熱電偶的輸出信號會很敏感，易發生溫度跳變的現象。
　　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境干擾。4)溫場上限溫度的設置，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線。
2.3電磁干擾對信號的影響
　　隨著半導體開關電源、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的元件、各種電氣設備和通信系統等產生干擾。導致的后果輕則影響設備的正常工作，包括計量不準確、通信質量降低;重則引起嚴重事故，包括信息丟失、火災發生。
　　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。輻射耦合是通過空間輻射以電磁波的形式將干擾能量發射到敏感器。
　　巡檢儀是把電壓信號作為輸入信號,在傳輸的過程可能會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，應當記錄現場溫度跳變數據，再對數據進行分析。
2.4巡檢儀的出廠設置
　　巡檢儀通電后需要對參數進行設置，常見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導致顯示數值偏差較大甚至無數值顯示，巡檢儀的通訊參數不正確會導致.上位顯示無法接收巡檢儀示數。
3試驗
3.1試驗過程
1)將熱偶補償導線屏蔽層在儀表側單端可靠接地，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，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℃，不產生波動。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)不生產時，暫停爐內進氣，穩定后觀察巡檢儀溫度，顯示結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測量溫度均開始跳變。只單獨測量一路才穩定顯示溫度。5)客戶現場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)并非爐內氣流波動導致溫度的變化(若為氣.流波動，爐內所有的S熱電偶應該都波動)，信號源穩定。
4)熱電偶平行線路之間發生耦合的可能性較大，但也可能為巡檢儀的故障問題導致在多個信號輸入時，計算出現錯誤，也就是儀表出現故障，產生溫度跳變的現象。
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結束語
　　工業現場的情況是復雜的，因此在處理故障的過程中應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。從信號的產生到傳輸，再到儀器儀表內部，中間的各個環節處理不當都會導致儀表的最終示數不準確，影響現場的監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品好壞的一個標準，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ANASYS對溫度場的研究。在實際現場，出現問題時應當保存溫度跳變的數據，為下一步的理論分析提供一個好的試驗數據。進一步的建模過程會更加復雜，具體的模型及理論分析有待更深入的研究。