陶瓷窑炉热电偶提高测量精度方式

[摘要]文章陶瓷窑炉温度测量的几种方法以及当前通常采用的温控方式，通过对瓷厂动力窑温度的现场测试，陶瓷窑炉通用的S型热电偶测量的正确性情况，提出了工业窑用热电偶溯源的途径和方法的几点建议，为陶瓷企业窑用热电偶测温准确性的评判提供了一种新的鉴定方法，帮助企业更好地了解和掌握窑炉运行时温控的实际状况，以提高陶瓷窑炉的烧成质量，减少不必要的能源浪费，达到节能减碳的目的;同时也可有效地提升陶瓷行业高温计量的正确。
引言
　　作为陶瓷产品的主要烧成设备，窑炉正常运行时的工作温度是一个很关键的热工参数，也是影响陶瓷烧成质量的重要因素:同时决定了窑炉系统运行的可靠性和安全性以及节能减碳目标的大小，因为窑炉温度直接影响着烧成时间的长短和能源消耗的多少田。目前，陶瓷窑炉温场的监测方法大多采用热电偶测温与肉眼观察窑内火焰颜色和亮度来判断火候(即温度的高低)”。
　　陶瓷窑炉的温控系统是非线性、纯滞后的，而窑内温场的变化又是一个复杂的过程”。为了能够及时、正确地掌握窑炉的运行情况，需要测量窑温等热工参数，以对窑炉的温度等动态参数的变化进行实时监测:同时也为窑炉监控人员提供相应的监测数据及烧成曲线等有关信息。因此，陶瓷窑炉温度测量的准确性一个极其重要的研究课题，它对于陶瓷产品质量的稳定控制、能源消耗的减少都有着举足轻重的参考价值。
　　有关陶瓷窑炉热工特性的影响因素的研究有很多，影响陶瓷烧制品质量的陶瓷烧成温度控制和窑内温场均匀性的也不少:但鲜少见到关于陶瓷窑炉温度测量正确性方面的。且用于窑炉控温的热电偶测量结果的量值溯源对于节能减排的价值与意义相关的文献资料就更少。
　　分析了当前陶瓷窑炉的温度监测现状，以生产酒瓶的气烧动力窑为例，通过用已溯源校准的一级铂佬10-铂热电偶对窑内温场进行了现场测试，用于测量窑温的S型热电偶的准确性对陶瓷窑炉烧成工艺控制的重要性，即制定更为合理的温度曲线，可降低烧成温度以减少能源的浪费。同时，建议企业在定制陶瓷窑炉时，要求供应商提供窑用热电偶准确度情况的溯源报告或其校准证书;或可在每年检修窑炉时，将其拆下送检;并在必要时，测试方法进行现场测量比对。
1陶瓷窑炉温度测量
　　陶瓷窑炉对陶瓷产品的品质起着决定性的作用，其烧成工艺中窑温的控制关键，温度的精准控制直接影响了烧制品的质量。显然，控制温度就是为了掌握陶瓷窑炉内的温度变化过程，以便根据烧成工艺要求实时进行调节，这就需要对窑内的温度进行测量。
1.1陶瓷窑炉温度测量方法
　　肉眼观火、吐痰入窑、钩照子等都是传统的了解窑炉温度的方法。这些方法简单实用，但也只有丰富经验的烧窑师傅才能运用它。随着测温技术的发展，而有了测温锥、测温环、测温块、热电偶、光学高温计、红外测温仪等现代的窑温测量手段。
　　测温锥是用陶瓷原料经特定配方制成的三角锥，在一定的温度下锥内复相体系因重力作用而变形，不同的锥号对应不同的温度，从而可根据所用测温锥的锥号来确定所测量的温度。从观火孔能够肉眼看到的窑车上相应的位置安放测温锥，可在烧成过程中观察测温锥弯倒情况，从而确定锥倒时其所在窑内位置的温场温度。
　　测温环、测温砖是由氧化铝和其他陶瓷粉体经压制成型，与其他陶瓷坯体--起放置窑内，随着窑炉温度的上升，产生体积收缩。出窑冷却后，用千分尺测量测温环的外径、测温砖的长度，再查相应同批号的测温环、测温砖的对照表就可以知道烧结温度。热电偶的测温原理是热电效应，测温时可直接把温度量转换成电学量，热电偶因其输出信号稳定、热电势较高、线性较好、灵敏度高等特点，特别适用于温度的自动调节和自动控制，已被广泛应用于一-200~2500℃的气体、液体和蒸汽等介质温度的测量。
　　光学高温计和红外测温仪都是基于普朗克辐射定律的非接触式测温原理进行测温的，并不会对被测对象的温场分布造成影响，而被普遍用在热电偶不适用或不能使用的情况下:两者均可测量高温，但前者是根据辐射亮度测温，测量范围为700--3200℃，后者是根据红外线辐射测温，从零下几十摄氏度的低温到3000℃的高温均可测量。
1.2陶瓷窑炉温度测量现状
　　由上述陶瓷窑炉测温方法对比可知，光学高温计只能测量700℃以上的温度，并且与测温锥、测温环、测温块一样，不能实现温度信号与电信号的转化。而热电偶可配以温度二次仪表，将温度信号实时转化为电信号，通过连续测温来实现陶瓷窑炉温度的自动化监控。因此陶瓷窑炉温度测量使用较多的还是热电偶。即用热电偶作为传感器将温度信号转变为毫伏信号输入到人工智能调节器，由人工智能调节器根据设置的烧成温度曲线控制电动调节阀，进而调节燃气压力来实现陶瓷窑炉温度的自动化控制。
　　目前，陶瓷间歇式窑炉工况监测方式基本上是通过热电偶实时监控和测温锥弯倒来判断窑内最低温区是否达到最高烧成温度的方法，其中自吸式引射梭式窑温度控制大多因为只在窑顶中心位置插入了一支热电偶而还需要人工观火，即司窑工通过观察火焰的颜色变化，凭经验来判断火候，以了解窑炉内陶瓷烧结状况，从而调节燃气的阀门数量来控制窑炉温度，这是非自动化控制的陶瓷梭式窑烧成状态判断的主要辅助方法。对于连续式陶瓷窑炉，其预热带、烧成带、冷却带的每一节区都有热电偶进行实时测温，还会定期和有需要时使用测温环/测温块来测量窑炉的最高烧成温度。
2陶瓷窑炉测温方法准确性的对比分析
　　当前，相对于其他窑温测量方法来说，热电偶与温度二次仪表由于其性能稳定，具有测量正确、测温范围宽等优点，还可进行远距离测控，而在陶瓷窑炉的测温技术中应用最为广泛。但热电偶测温仅仅是监测其工作端所在位置于窑炉内测温点的温度，而不能反映其所在温场的温度。
虽然光学高温计的测量精度可达到1%,红外测温仪的精度高可达到0.1%。但由于窑炉运行的实际环境条件的限制，光学高温计和红外测温仪的可靠性和抗干扰性都不高，.故很少用于窑炉温场的监测，最多只是偶尔被用来进行热工测量。
　　根据需要，测温锥、测温环、测温块可摆放在窑内的不同位置(测温锥只用于摆放在间歇式窑内，并可通过测温孔观察到的位置)，其与窑内制品同时承受窑内辐射热、传导热过程，能反映烧制品在窑内的受热状态，测定烧制品的最高烧成温度:因此能简易、方便地测定炉内温场三维空间中各测试点的最高温度。它们只能测量窑内空间某-点的最高温，而不能进行连续测温。其中测温锥的测温精度较低，两相邻锥号之间温差一般在20℃左右，一般用于非自动化间歇式窑炉的最高烧成温度的监控。
3动力窑温度测量结果正确性的研究
　　随着当代测温技术的进步，测量仪器和测量系统性能的不断提升，陶瓷窑炉的热工控制对测温仪器的精度、测量结果的正确度的要求也越来越高。无论是什么类型的陶瓷窑炉，用于窑内温度的监测手段都少不了要在窑炉上安插热电偶。而热电偶的性能因使用的温度不同而变化很大。因为热电偶丝材料熔点高的在较低温度下使用时，与熔点温度不高的材料相比，它的计量性能不太理想。所以，长期插入陶瓷窑炉内的工业热电偶在实际工况下的测温正确性值得关注。热电偶是一种常见的接触式温度传感器，其测温元件连续使用一段时间之后，它的热电特性可能会发生变化;倘若变化显著，则会严重影响它的测温正确性。
　　影响热电偶测温准确度的因素有很多，如热电偶丝的原材料纯度、材质的均匀性、加工应力的消除与加工过程中的杂质污染、熔铸工艺过程中的热平衡的维持，热电偶丝是否退火充分，以及热电偶的使用环境、条件等等，都会对热电偶的热电性能产生很大影响。工业热电偶在使用过程中的测量稳定性对陶瓷窑炉温度监控的影响很大，热电偶丝的不均匀热电势也会影响热电偶测温精度复现性、稳定性的控制,而且是热电偶校准过程中测量不确定度的主要来源之一。
　　动力窑通常是采用多个高温调速烧嘴的分区设置热电偶测温的自动化监控梭式窑。现阶段因内大部分陶瓷窑炉的窑温控制主要是通过调节烧嘴燃气量来实现，并使用温度传感器一热电偶来测量每个烧嘴附近的温区的温度。各温区均由一台单回路调节器带动执行电机，通过调节燃气、助燃空气联动阀门进行控制。热电偶测得的温度，由数模转换器转换，通过TCP/IP通讯进入DCS寄存器中，根据反馈信号和烧成曲线设定值做比较，经PID控制器处理后的输出值传给电磁阀，从而达到控制窑温的目的。这样将烧成曲线存入工控机中，窑内各温区的温度就会按照给定的曲线自动升温或保温。
3.1动力窑温度测量准确性的现场测试
 
　　以某瓷厂烧制酒瓶的气烧动力窑为研究对象，对该窑几个温区的温度进行现场测试，并就其安插在窑内相应温区的工业热电偶的测温准确性进行分析。
　　此窑容积为40m3,两侧窑墙共安插15只高速调温烧嘴，.左右两侧各有7只、8只，每侧烧嘴上、中、下三层交错呈品字形排布，两侧烧嘴也是交错排布，使得从两侧窑墙喷入窑内的火焰不相撞，每只烧嘴对应一温区实行温度自动控制，在每个烧嘴对面的窑墙上安装一支分度号为S的铂佬-铂热电偶，用于测量其对应温区的温度。
该动力窑是通过窑炉控制系统设置热工参数进行自动化烧成的，其分为15个温区，共有15个温度测量点，同时每个温控区均配有电磁阀，司窑工也可根据实际需要进行手动调节。
3.1.1现场测试方法
　　选用6支经419.58~1084.88℃一等标准铂佬10-铂热电偶(总不确定度δ=0.6℃，k=3)溯源校准的0~1600℃一级铂佬10-铂热电偶(允许示值误差△=1C)插入动力窑观火孔测温，采用补偿导线和航空插头与巡检仪连接，通过巡检仪的温场自动测试系统实时记录各热电偶测温点的温度数据。
3.1.2测量结果对比
　　巡检仪连接的6支--级铂佬10-铂热电偶测量的温度分别对应的是工业窑用热电偶所测窑内1区、3区、4区、5区、6区、8区的温度，将其测量结果与动力窑控制系统显示屏所示的相应温区的实际温度进行比较，发现两者温度量值相差较大。
3.2动力窑温度测量结果分析
　　现场测试时，从动力窑观火孔插入窑墙的热电偶测量端深进窑内出墙壁4~5cm.观火孔中心点与安装在两侧窑墙上的控温热电偶的墙面距离为7~8cm，在烧成最高温保温21min的时段内，检测热电偶与窑内控温热电偶的工作端所处温区的测量空间约0.5dm范困内的温度，可视为均匀波动，即其对两者测量结果的影响在仪器准确度等级所允许的测量误差范围内可忽略不计。
　　据该厂有着二十多年烧窑经验的司窑工介绍，企业一般只在每年春节前停窑检修时，将发现有问题的窑用热电偶拆下来，用万用表测其电阻检查通断情况，如果坏了又修不了就直接更换，从未送去检测技术机构进行计量校准。显然,根据表中温度测量结果的数据对比不难得出以下结论:.
1)从表中窑炉控制系统与巡检仪显示的温区实测温度在高火保温时段内“平均值”的“差值”来看，工业窑用热电偶测量结果的准确性与溯源后符合要求的一级铂佬10-铂热电偶的测量准确性还是有明显差距的，“差值”反映了现场测试所测温区的温度都存在着较大的正偏差或负偏差。
2)表中“最大值一最小值”的计算结果对比，可以看到工业窑用热电偶与溯源热电偶虽然都是同类型的温度传感器，但两者给出窑炉温场温度变化信息时的灵敏度的差距:同时，从烧成过程中温度测量的准确性对窑炉烧成工艺控制的影响来看，还反映了工业窑用热电偶的计量性能的差异。
4建议
1)陶瓷窑炉一-般都是定制的，定制时企业可要求供应商提供工业窑用热电偶准确度情况的溯源报告或其校准证书。
2)企业在每年检修陶瓷窑炉时，可将其插入窑内的工业热电偶拆下来，送往具备检测资质的技术机构进行校准溯源。
3)必要时，按本文测试方法进行现场测量比对，以作修正。