燒結磚窯測溫系統熱電偶及補償導線選擇

摘要:通過對燒結磚生產線隧道窯燒結工藝及窯溫檢測系統的分析,從而科學地選擇合適的熱電偶和補償導線。
1引言
　　利用煤矸石、頁巖、淤泥、粉煤灰.建筑垃圾等固體廢物為原料燒制的燒結磚,屬于國家大力推廣的新型綠色節能墻體材料。每年新建的燒結磚生產線有數百條,而燒結磚生產線的核心工藝為隧道窯燒結工藝,成品磚的燒結品質、產量、質量都取決于窯爐的燒結工藝。同時,燒結工藝還關系到窯爐余熱利用及煙氣的無害化處理，是整個生產線的重中之重。燒結過程中,如何對窯爐及管道內部溫度進行全面、準確的實時監測,便成為燒結的關鍵。只有準確地掌握窯爐各處的實時溫度,才能有根據地調整風機頻率、管道閘門開合度、頂車拉車頻率、外投燃料用量以及原料的摻兌比例,以保證燒結磚的燒成品質。監測溫度的傳感元件主要有熱電偶、熱電阻,熱電偶又有多種,其連接線又有多種,針對燒結磚生產線隧道窯爐的特性進行了科學分析,給出了詳細選型。
 
2燒結磚生產線隧道窯爐的特點
　　隧道窯是現代化的連續式燒成的熱工設備,廣泛應用于耐火材料等產品的焙燒生產。燒結磚生產線的隧道窯是一條長的直線形隧道,其結構一般為:①頂部:耐高溫平吊頂結構,一般為吊裝耐巖棉或吊裝耐火保溫磚(板),也有耐火磚發碹的拱形窯頂;②窯墻:耐火磚內墻和燒結普通磚外墻;③基礎:一般采用毛石砌體。隧道窯窯爐高度一般不高于2.5m(從軌道面算起),內寬一般為3.7m~6.9m,長度一般在140m左右。其焙燒方式一般為磚坯內燃或天然氣外燃。風機系統分為:排煙系統、抽余熱系統、車下冷卻系統.窯尾冷卻系統等,如圖1所示。窯車運轉系統為:在底部鋪設的軌道上運行著窯車,每天進出窯車約20輛~30輛,單臺窯車磚坯量約3000塊~10000塊(折普通磚)。隧道窯分為:預熱段、焙燒段、冷卻段,如圖2所示。每一段的溫度,每一-車位的溫度,以及窯爐內外、管道的溫度都是不同的,而且關系到窯爐燒成產品的速度和品質。
 
3燒結磚生產線隧道窯溫度監測系統概述
3.1系統概況
　　用于對制磚生產線隧道窯焙燒系統的溫度(有時需要測量部分管道內外及窯爐內外壓力)進行全面測量。此系統一般分為簡易型和高級型。簡易型，只需實時顯示各測量點溫度即可;高級型不僅需要實時顯示溫度,而且能夠根據預設值自動分析溫度數據,做出高低溫度提示和智能報警,能自動繪制實時溫度曲線和報表,并能存儲數據,以備歷史查詢。
3.2系統組成
　　一般由溫度傳感器、傳輸線纜和溫度顯示裝置組成。傳感器一般為熱電偶或熱電阻。傳輸線纜一般為補償導線或專用屏蔽線纜。顯示裝置一般為智能儀表,高級型可以是傳感器連接儀表，儀表通過RS233/485總線傳輸連接上位機(工控機)型,也可以是傳感器直接連接專用PLC(DSC),然后PLC(DSC)連接.上位機(工控機)型。上位機(工控機)通過組態人機交互畫面顯示溫度,同時提供溫度報表打印存儲、歷史查詢等。
3.3相關系統
　　隧道窯溫度監測系統一般不是獨立存在的,它可與“干燥系統溫濕度測量”、“風機控制系統”、“窯車運轉系統”.“燃燒系統”同時存在,相輔相成。溫度的實時準確測量是這一切的基礎,只有掌握準確的實時溫度,才能有根據的控制風機的開關和風量、窯爐的頂車和拉車以及外投燃料的用量。
4熱電偶、補償導線工作原理及連接
4.1熱電偶工作原理及選型
 
　　熱電偶是溫度測量儀表中常用的測溫元件(圖3),它直接測量溫度,并把溫度信號轉換成熱電動勢信號,其結構通常由熱電極、絕緣套保護管和接線盒等主要部分組成。基本原理是:兩種不同成分的金屬導體A和金屬導體B,組成閉合回路,當導體兩端存在溫度差時即T.≠T,回路中就會有電流通過I(微弱),此時兩端之間就存在熱電動勢,這就是塞貝克效應(圖4)。
 
　　熱電偶的主要種類區分在于其內部的偶絲(兩根)不同,其接人測溫系統中的熱電動勢也就不同,國內統一設計型標準化熱電偶按IEC國際標準生產,有K、E、S、B、T、J、R七種,見表1。
 
　　根據隧道窯溫度曲線(圖2)和熱電偶自身的性價比,燒結磚生產線隧道窯溫度監測系統一般選用鎳鉻-鎳硅,K型鎧裝普通型熱電偶較為合適,K型熱電偶也是市場占有率和性價比高的一種熱電偶,熱電偶的長度由窯爐頂部保溫材料的厚度決定,一般要求熱電偶的低端探出窯爐項部50mm左右。
4.2熱電阻工作原理
　　與熱電偶一樣,熱電阻也是溫度測量儀表中常用的測溫元件.熱電阻常用于中低溫區溫度檢測。熱電阻測溫是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進行溫度測量的。目前應用最多的是鉑和銅,最常用的是鉑絲。工業測量用金屬熱電阻材料除鉑絲外,還有銅、鎳、鐵、鐵--鎳等。鎧裝熱電阻的測量溫度一般在-100C~300℃。燒結磚生產線的隧道窯爐的燒結溫度一般在850℃~1050℃,所以并不適用。但熱電阻有著測量精度較高、造價較低的優點,可用在燒結磚干燥系統的溫度測量上,熱電阻通過屏蔽導線與儀表或PLC(DCS)連接。
4.3補償導線工作原理及選型
　　熱電偶安裝于現場后,必須把熱電偶和儀表連接起來才能測量溫度。由于熱電偶使用的位置(接線端)總是距測量儀表(測量端)有一定距離,因此熱電偶接線端溫度T,與儀表輸入端溫度T:溫度不一樣(如圖5)。選用普通導線測得溫度只能是T與T,的溫度差,顯然測量的結果不準確,再加.上T,處的溫度波動，會使測量數據更不準確。由于熱電偶為貴金屬制作，顯然不可能把熱電偶延長到儀表-側。只能找到一種在特定溫度范圍內,所產生的熱電勢與要配用的熱電偶熱電勢相近似的導線(兩根不同的合金),這稱之為“補償導線”。(圖5).
 
　　圖5中T3(熱電偶接線端),T2(儀表測量端)所產生的熱電勢,選用補償導線產生的電動勢Ekx(T3,T2)與熱電偶延長過來產生的電動勢Ek(T3,T2)近似,即相等。
Ek(T3,T2)=Ekx(T3,T2)
　　所以儀表所測量的熱電動勢Ez,等于儀表接線端T2與測量點T2的熱電動勢差。
Ez=Ek(T1,T3)+Ekx(T3,T2)
=Ek(T1,T3)+Ek(T3,T2).
=Ek(T1,T2)
　　補償導線是熱電偶測量的重要組成部分,必須正確合理選擇相應型號,不同型號的補償導線不能混用,也不能接反。K型偶應該選擇K型偶的補償導線KX,即K型熱電偶專用延伸型補償導線。其合金線的正極為KPX(鎳鉻),絕緣層著色紅色;合金線的負極為KNX(銅鎳),絕緣層著色黑色;外層保護套為聚氟乙烯(PVC);工作溫度為:-20C~100℃,寬度范圍為:-25℃~200℃,誤差為±1.5℃。燒結磚生產線隧道窯測溫口_上端的環境溫度約為25℃~45℃,儀表箱(一般位于窯爐中部)的工作環境溫度約為25℃~30℃,從測溫口到儀表箱的補償導線通過電纜橋架或鍍鋅鋼管敷設,其敷設環境溫度為25℃~45℃,線纜長度--般不超過70m,選用KX補償導線完全符合要求。
5熱電偶、補償導線連接時應該注意的問題
5.1使用普通導線做熱電偶信號線,未使用專用補償導線,導致誤差
　　普通電線能傳送熱電偶測溫時產生的mV信號，但不能補償將熱電偶接線端溫度延長到儀表箱處這部分產生的偏差,從而導致熱電偶測溫系統出現溫度補償不準確。
5.2不同分度號熱電偶和補償導線混用,導致誤差
　　不同分度號熱電偶對應的補償導線在同一環境溫度下所產生的熱電勢不同,將不同分度號熱電偶與補償導線混用,必然給熱電偶測量系統引人溫度補償誤差。
5.3補償導線絕緣層破損,導致誤差
　　補償導線絕緣層破損會導致其接地或不完全接地，會導致測量值偏小。
5.4補償導線正負極性接反，導致誤差
　　熱電偶和補償導線都有正負極之分,他們分別為不同的合金導體,補償導線極性反接時儀表顯示值變化很大,導致的誤差約為不用補償導線時的2倍。
5.5補償導線與接線端子接觸不良,導致誤差
　　熱電偶補償導線比較硬,導線與接線端子間在接線時或使用過程中,容易出現接觸不良,這會導致測量值無法顯示或顯示值超量程。
5.6補償導線敷設環境溫度超過額定溫度,導致誤差
　　KX補償導線的工作溫度為-20℃~100℃,隧道窯頂部空氣溫度一般不超過45℃,如果補償導線沒有穿管而直接暴露在投煤口附近,其環境溫度可能超過100℃,這會超過補償導線的工作溫度,帶來較大誤差。
5.7補償導線中間有接頭,接頭處接觸不良,導致誤差
　　在長距離敷設補償導線中,長度不夠時允許有接頭,接頭處理不當可能導致誤差(測量值偏小),應連接可靠并做好絕緣。
5.8補償導線與動力電纜平行敷設,信號被干擾,導致誤差
　　補償導線敷設時,應該與動力電纜隔開,尤其是避開變頻器輸出電纜。可以穿鍍鋅鋼管敷設或單獨敷設在另一個電纜橋架內。如果補償導線與動力電纜敷設在同一橋架內,應選用設置屏蔽隔板或交叉敷設,或選用屏蔽型補償導線。否則測量結果會出現波動不準確。
5.9補償導線距離太長,因信號衰減,導致誤差
　　熱電偶的信號很低,為微伏級,如果使用的距離過長,信號的衰減和環境中強電的干擾偶合,足可以使熱電偶的信號失真,造成測量結果不準確或波動較大。燒結磚生產線隧道窯測溫儀表箱放置于窯爐中部，熱電偶補償導線的平均長度一般為40m(最長不超過70m),相對較長,所以,選用KX補償導線是應選用φ1.5mm2線徑的導線。一般不允許把儀表箱放在中控室或窯爐兩端,這樣補償導線會更長,會有測量誤差。
5.10沒有定期檢查更換熱電偶,設備陳舊導致誤差
　　熱電偶作為電氣元件.是有壽命的。一般認為,K型熱電偶的工作壽命約為1萬h。燒結磚生產線的隧道窯,全年24h連續運轉,也就是說，平均1.2年就需要更換一次熱電偶。熱電偶的壽命同時受到鎧裝保護管的影響,保護管破裂,熱電偶也就不能用了。應定期檢查熱電偶的破損程度,并用標準熱電偶校對舊熱電偶的數據,如果誤差較大,應該及時更換。
6總結
　　通過對燒結磚生產線隧道窯燒結工藝及窯溫檢測系統的分析,在隧道窯溫度測量系統中,科學選擇“鎳鉻-鎳硅,K型鎧裝普通型熱電偶”和K型熱電偶專用延伸型補償導線KX(鎳鉻-銅鎳),正確使用熱電偶及其補償導線,了解熱電偶和補償導線工作原理,避免文中所述錯誤的發生,以保證測量結果的準確性，從而有依據的調節燒結磚生產線的風機、窯車運轉、燃燒等系統,保證燒結磚的品質和產量,達到節能降耗的效果。