工业现场仪表温度跳变现象分析

摘要:工业现场情况复杂，信号的传输过程受到各种干扰，存在较多的不确定性，导致数据的失真，为工业现场的安全生产及监控带来困难。针对巡检仪温度跳变的现象，从热电偶信号的传输方向来分析温度跳变可能存在的原因，其中包括温度场的分析、热电偶的工作原理、电磁干扰的工作模式，以及仪表内部的电气隔离，为解决工业现场实际问题提出一种分析思路。最后，提出了解决方案，验证能够应用于工业现场。该方法对LTCC、HTCC、MLCC等制作领域的烧结工艺有一定借鉴意义。
0引言
　　工业设备朝着复杂化、智能化发展，操作和维护的难度也随之增加，对维护人员的专业要求也在逐步增高。而工业现场情况复杂，如何快速解决实.际出现的问题是现场工作人员需要具备的技能，也是对技术人员的考验。基于工业现场巡检仪温度跳变的现象，提出了一种解决实际问题的思路。
　　某客户使用氮气氛保护推板炉烧结磁性材料，生产过程中发现测量炉膛温度的巡检仪上，有四路超过1280℃的通道，显示温度持续在1280~1300℃之间跳动，且变化频率较快，短至约2s变化一次，不符合炉膛内温度变化特征。其余测量温度低于1280℃的通道数值稳定，显示正常。现场使用的测量仪表是巡检仪，测温元件为S型热电偶。热电偶与仪表的距离约20m。
从多方面分析温度跳跃的现象，包括:串入附加地电势导致温度跳跃，空气浮力修正的不确定度以及衡量仪器的不确定度导致温度的跳跃，然而并没有系统地指出热电偶信号的传输过程，以及全面分析热电偶温度跳变的原因。从信号的传输路径来分析温度跳变的原因将使问题简单化，更适合现场工作人员的调试。
把温度信号干扰分为外部干扰和内部干扰两类:外部干扰包括外部线路的电磁干扰、电源干扰及线路接地干扰;内部干扰即仪表本身的一些电气元件(如电源模块、继电器及线圈)产生的干扰。
1问题产生的原因
1.1气流扰动导致炉膛内实际温度不稳定
　　在生产过程中，由于气氛的流动性，使得低温区与高温区之间进行换热，热能波动较大，从而导致测温点的温度处于波动状态，巡检仪的示值也处于波动状态。
1.2热电偶安装或质量问题
　　热电偶安装过程可能会因人为的因素导致热电偶已经损坏，或者没有正确选择测温点，导致测温点的温度不能正确反映炉体内温度的变化，从而出现温度跳变的情况。
1.3电磁干扰影响信号
　　热电偶的工作原理是把电压信号输入巡检仪当中，而电压信号容易受外界电磁信号的干扰，因此附近不能安装发电机、变频器等大功率设备。
1.4巡检仪参数设置或质量问题
　　巡检仪使用过程中需要对控制通讯参数和热电偶型号等进行设置，设置不正确会导致巡检仪的示数不正确，出现跳变现象。
2理论分析
2.1热源的温度场变化
　　热源的温度场变化主要原因是由于温度差的存在导致热传递的产生，主要有三种形式":
1)热传导:固体热传递的主要方式，通过物体内部分子、原子和自由电子等微观粒子的运动进行热量传递。
2)热对流:流体热传递的主要方式，通过气体或液体的流动来传递热量，对于给定的面积A,传热热量Q的计算公式为:
Q=AXhx(ts-tf).(1)
　　式中:h为对流换热系数;ts、tf为流体温度。
3) 热辐射:不需要介质的传热方式，通过高温物体表面产生的电磁波传递热能。
 
　　图1为文献[4]基于ANASYS有限元分析方法，对气氛烧结炉的温度场进行的模拟与分析。而碳棒加热有同样的温度场分布。在窑炉烧结过程中，碳棒通过电流加热升温，向周围以热辐射的方式传递能量，温度场以碳棒为中心，呈现向周围逐渐递减的状态。
　　窑炉中，各碳棒之间是相互影响的，且在生产过程中会通入气氛对产品进行保护，因此会出现温度波动的状态，使巡检仪的示数也出现波动。
　　鉴于温度场能够直观地反映内部温度的变化趋势，对需要正确控制温度的行业至关重要，在温度场的研究方面有大量的文献。文献[5]分析了碳化硅熔炼炉的电气特性，建立了熔炉的物理模型;然后，利用有限差分数值分析方法，分析了内部温度场随功率变化的规律，建立了温度梯度模型;最后，通过对温度梯度模型的分析，可以得出碳化硅冶炼过程中产量与能耗之间的关系。文献[6]为了实现炉内温度场的实时在线监测，阐述了基于声学理论的三维温度场重建原理，介绍了奇异值分解(SingularValueDecomposition,SVD)算法。文献[7]指出，温度的均匀性对磷酸铁锂的锂电池有较大的影响，因此，在设备的设计过程中，应当注重均匀性方面的考虑。然而针对窑炉的温度场研究较少，窑炉烧结材料时温度的均匀性是保障产品高质量的前提，是实现节能减排方案的有效途径，因此应加大在此方面的温度场的仿真试验，为窑炉的优化设计提供一定的理论基础。
2.2热电偶工作原理及安装要求
　　热电偶是工业过程测温的主要元器件，主要的工作原理为塞贝克效应，当两种不同的导体A、B在一端焊接组成闭合回路时，如果两接触点处于不同温度，则回路中存在电流流动，此回路为热电回路，出现的电流为热电流(如图2所示)。
 
一般情况下，热电偶有三个特点:
1)热电偶受现场测温环境气氛的限制
2)热电偶的精度难以达到±0.1%，因此对于S型热电偶会出现超10℃的温度误差，当气氛扰动时，出现温度跳变的可能性是存在的。
3)在高温下使用或者长期工作时，由于热电.势不稳定，将产生示值漂移，需要进行长期检查与修正，而热电偶测温误差的来源主要包括了热区、温度梯度区、补偿导线区、参考端、显示或控制装置，热分流现象在窑炉中的影响是可以忽略不计的，因此，主要着重分析温度梯度区的影响。温度梯度常常是不规则的，在整个回路很少能保持在一个方向，同时，其位置和大小也发生剧烈的变化。影响热电偶电分流误差的因素主要是热端温度。当热端温度升高时，误差也会增加。然而，热电偶的热电动势产生在温度场中，而不是在热接点处，热电偶的热电动势与温度梯度场的温度量值和形状有关。S型热电偶的正极材料为铂铑10，负极材料为纯铂，主要测温区间为0~1600℃。但该热电偶长期的使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃。该窑炉测温为高温区间，已经达到长期测温的最高使用温度，因此，当温度场发生微小的变化时，热电偶的输出信号会很敏感，易发生温度跳变的现象。
　　热电偶的安装及配线需要满足一定的条件，主要包括:1)测量点位置的选择，要考虑测量端与被测介质之间能进行充分的热交换。2)插入深度的选择，要考虑传热和散热损失带来的测量误差。3)应用过程中的安全考虑，要避免剧烈碰撞、颠簸和骤冷骤热等环境干扰。4)温场上限温度的设置，尽量不要超过测量范围上限的三分之二。5)连接线的选择，长度尽可能短，与动力线分开敷一使用屏蔽补偿导线。
2.3电磁干扰对信号的影响
　　随着半导体开关电源、晶闸管、变频器等电力电子器件的广泛使用，不同频率和振幅的谐波也相伴而生。这些谐波以电场耦合、磁场耦合的方式对公用电网的元件、各种电气设备和通信系统等产生干扰。导致的后果轻则影响设备的正常工作，包括计量不准确、通信质量降低;重则引起严重事故，包括信息丢失、火灾发生。
　　电磁干扰除了干扰源外，还包括传播途径和敏感设备。敏感设备是被干扰的对象，在被干扰的同时可能变成新的干扰源。电磁干扰的传播途径根据耦合形式分为传导耦合与辐射耦合”。传导耦合需要有导电介质形成完整的电路连接，将干扰信号从干扰源传输到敏感器。辐射耦合是通过空间辐射以电磁波的形式将干扰能量发射到敏感器。
　　巡检仪是把电压信号作为输入信号,在传输的过程可能会受到其他电磁的干扰，从而导致仪表的示数出现跳变，为了检验是否为电磁干扰，应当记录现场温度跳变数据，再对数据进行分析。
2.4巡检仪的出厂设置
　　巡检仪通电后需要对参数进行设置，常见的设置有输入型号的设置和通讯地址、通讯波特率、PID参数、各通道的滤波系数的设置。巡检仪的输入型号设置错误会导致显示数值偏差较大甚至无数值显示，巡检仪的通讯参数不正确会导致.上位显示无法接收巡检仪示数。
3试验
3.1试验过程
1)将热偶补偿导线屏蔽层在仪表侧单端可靠接地，温度跳变问题仍然存在。
2)确认热电偶测量位置是在炉膛内，将测量温度有跳变的位于1280℃区域的热电偶A换至1100℃区域测量，测量结果稳定显示800℃，不产生波动。将原1100℃区域的热电偶B移至1280℃区域，测量结果与热电偶A测量结果相似，温度有跳变。
3)不生产时，暂停炉内进气，稳定后观察巡检仪温度，显示结果与未停进气前类似，温度仍有跳变。
4)检查巡检仪的输入分度号，设置为S型，与热电偶-致。拆除3路有温度跳变的热电偶B、C、D,只保留1路有温度跳变的热电偶A，巡检仪显示通道A温度稳定保持在1280℃，不再跳变;继续依次插上热电偶B、C、D,通道A、B、C、D测量温度均开始跳变。只单独测量一路才稳定显示温度。5)客户现场更换增强型隔离巡检仪，消除干扰。
3.2试验结论分析
1)信号传输过程接地，排除接地干扰。
2)各s热电偶均在高温区出现跳变，排除热电偶出现故障的情况。
3)并非炉内气流波动导致温度的变化(若为气.流波动，炉内所有的S热电偶应该都波动)，信号源稳定。
4)热电偶平行线路之间发生耦合的可能性较大，但也可能为巡检仪的故障问题导致在多个信号输入时，计算出现错误，也就是仪表出现故障，产生温度跳变的现象。
5)项目设计初期，仪表选用常规的非隔离模块，但是由于该项目工况复杂，温度变送器出现严重干扰。由于仪表内部无电气隔离，通过提高仪表本身的抗干扰能力解决了问题。
4结束语
　　工业现场的情况是复杂的，因此在处理故障的过程中应当按照一个合理的思路来进行，以便更快速准确地解决问题。从信号的产生到传输，再到仪器仪表内部，中间的各个环节处理不当都会导致仪表的最终示数不准确，影响现场的监控及管理人员的判断。合理按照信号路线来一步步排查将使问题的解决更加简便。
　　温度场的检测是检验窑炉产品好坏的一个标准，也能够为设计均匀性好的窑炉提供一定的理论分析，因此，应当加大基于ANASYS对温度场的研究。在实际现场，出现问题时应当保存温度跳变的数据，为下一步的理论分析提供一个好的试验数据。进一步的建模过程会更加复杂，具体的模型及理论分析有待更深入的研究。