加熱爐熱電偶案例分析

摘要:熱電偶的快速響應(yīng)特性使其在工業(yè)過程測(cè)量中有非常廣泛的應(yīng)用,然而由于毫伏信號(hào)的傳輸存在易受干擾影響的性質(zhì),在實(shí)際使用中經(jīng)常遇到干擾的問題。文章就加熱爐熱電偶使用中的故障案例,討論了熱電偶的測(cè)量原理,測(cè)量回路以及屏蔽層的干擾問題,針對(duì)該案例中的故障找到了產(chǎn)生的原因,即電纜屏蔽層的腐蝕以及虛接。之后提出了解決方法，優(yōu)化屏蔽層接線形式，并對(duì)屏蔽層實(shí)施保護(hù)性措施。該處理方法在后續(xù)的生產(chǎn)實(shí)踐中得到了驗(yàn)證,大大降低了加熱爐熱電偶的故障率。
0引言
　　在工業(yè)測(cè)量與控制中,對(duì)儀表的穩(wěn)定性、可靠性.精確度要求越來越高。鎧裝熱電偶是溫度測(cè)量中應(yīng)用最廣泛的溫度元器件之一,其主要特點(diǎn)是測(cè)量范圍寬,物理性能穩(wěn)定,并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,設(shè)備的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好,可以傳遞4~20mA的電流信號(hào),便于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用;可彎曲安裝使用;測(cè)量范圍大;機(jī)械強(qiáng)度高,耐壓性能好都是鎧裝熱電偶的優(yōu)勢(shì)。
　　介紹了熱電偶的安裝,常見故障及處理方法。闡述抽氣式熱電偶在軋鋼中的作用。給出了熱電偶檢定爐發(fā)展展望,指出熱電偶檢定爐發(fā)展應(yīng)從理論、系統(tǒng)化設(shè)備、自動(dòng)化程序進(jìn)行多角度、系統(tǒng)性的規(guī)劃和架構(gòu)。以上介紹了熱電偶安裝施工和應(yīng)用前景,但是在使用過程中,出現(xiàn)信號(hào)干擾影響使用等問題如何排查,如何定位等均沒有介紹。從工程使用的角度出發(fā),介紹了在出現(xiàn)熱電偶使用故障時(shí)如何進(jìn)行排查,最終提出了解決方案。
1熱電偶測(cè)量原理
　　熱電偶的測(cè)溫原理基于1821年塞貝克(Seebeck)發(fā)現(xiàn)的熱電現(xiàn)象4。將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B的兩端相接組成如圖1所示閉合回路,就組成了熱電偶。當(dāng)測(cè)量端A和B的兩端溫度不同，則在該回路中就會(huì)產(chǎn)生電流。這表明了該回路中存在電動(dòng)勢(shì)，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為熱電動(dòng)勢(shì)。制成熱電偶的A和B的導(dǎo)體或半導(dǎo)體被稱為熱電偶的熱電極,安裝在被測(cè)介質(zhì)中測(cè)量溫度的節(jié)點(diǎn)叫做測(cè)量端或被稱為工作端或熱端。另一端節(jié)點(diǎn)常置于恒定的溫度環(huán)境中,叫做參考端又稱自由端或冷端。
 
　　熱電偶回路的熱電勢(shì),對(duì)A、B兩種導(dǎo)體構(gòu)成的熱電偶回路中,總熱電勢(shì)包括兩個(gè)接觸電勢(shì)和兩個(gè)溫差電勢(shì)。
 
　　實(shí)際使用時(shí),以0℃為冷端基準(zhǔn)溫度。如果冷端溫度非0℃時(shí),按照公式(2)修正。
 
　　式中:E(t,t0)為實(shí)際熱電勢(shì);E(t,0)為工作端溫度對(duì)應(yīng)0℃的熱電勢(shì)值;E(t0,0)為冷端溫度對(duì)應(yīng)0℃的熱電勢(shì)值。
　　如果參考端溫度(t0)保持恒定,則:
 
從中可以看出:
(1)熱電偶兩電極材料相同,無論熱電偶兩端溫度如何,熱電偶回路總熱電勢(shì)為零;
(2)如果熱電偶兩端溫度相同,即使A、B電極材料不同，熱電偶回路內(nèi)的總熱電勢(shì)仍然為零。
　　正常情況下，熱電偶的接觸電勢(shì)要遠(yuǎn)大于其溫差電勢(shì),所以熱電偶的熱電勢(shì)極性與接觸電勢(shì)的極性相同。所以在兩個(gè)熱電極中,相對(duì)電子密度大的電極導(dǎo)體呈現(xiàn)正極狀態(tài)，而電子密度小的導(dǎo)體呈現(xiàn)負(fù)極狀態(tài)。
2案例分析
2.1加熱爐介紹
　　在冶金行業(yè)中，加熱爐是指把金屬加熱到軋制要求溫度下的工業(yè)燃燒爐,包括連續(xù)加熱爐和室式加熱爐等形式。而加熱爐在燃燒過程中,隨著使用年限的增加，部分爐體可能會(huì)被燒穿,從而造成安全事故。而在加熱爐的爐壁中,根據(jù)最熱點(diǎn)排布情況安裝熱電偶,進(jìn)行溫度測(cè)量,從材料學(xué)和熱傳導(dǎo)等知識(shí),從測(cè)量到的溫度可以推測(cè)爐壁的好壞。當(dāng)熱電偶測(cè)量溫度超過警戒線時(shí)，必須立即進(jìn)行停爐檢查。當(dāng)熱電偶測(cè)量到的溫度急劇.上升等特殊情況時(shí)，必須將加熱爐立即停止工作,查看:是否出現(xiàn)險(xiǎn)情。所以,熱電偶的測(cè)量溫度對(duì)加熱爐安全生產(chǎn)至關(guān)重要。但當(dāng)熱電偶出現(xiàn)問題,測(cè)量溫度與實(shí)際溫度不符,會(huì)出現(xiàn)警告報(bào)錯(cuò),這樣會(huì)影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。
2.2故障現(xiàn)象
　　現(xiàn)場(chǎng)安裝的加熱爐爐壁溫度測(cè)量熱電偶,為K型熱電偶。有一只編號(hào)為02的熱電偶,在測(cè)量過程中，突然出現(xiàn)測(cè)量溫度急劇升高的現(xiàn)象,最后溫度定格在滿量程。經(jīng)過檢修人員現(xiàn)場(chǎng)查看,加熱爐爐壁并未出現(xiàn)燒穿爐壁等現(xiàn)場(chǎng),沒有出現(xiàn)安全事故,并且熱電偶為正常工作狀態(tài),連接熱電偶的溫度檢測(cè)儀表也為正常狀態(tài)。第一次出現(xiàn)上述現(xiàn)象,舊熱電偶經(jīng)過斷電重新安裝,檢測(cè)的溫度為正常值,但是過了一段時(shí)間該02號(hào)熱電偶又經(jīng)常出現(xiàn)上述現(xiàn)象,并且經(jīng)過斷電熱電偶,重新安裝后再無法恢復(fù)正常檢測(cè)狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)也試圖更換了新熱電偶,新檢測(cè)儀器后，上位機(jī)顯示測(cè)量溫度仍為系統(tǒng)最高值,彈出緊急處理對(duì)話框。這個(gè)明顯于加熱爐實(shí)際工況不符。
2.3處理過程
(1)在加熱爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量熱電偶探頭的毫伏電壓，根據(jù)理論公式換算爐壁的理論溫度與紅外測(cè)溫槍測(cè)量的爐壁的實(shí)際溫度基本一致，從而判斷熱電偶為正常并未損壞。
(2)在機(jī)柜間接線端子處，斷開上位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)來源信號(hào),測(cè)量毫伏電壓換算成理論溫度值與爐壁實(shí)際溫度一致,從而判斷從現(xiàn)場(chǎng)到機(jī)柜間電纜回路正常無故障。
(3)判斷DCS系統(tǒng)信號(hào)通道是否存在問題,在機(jī)柜間接線端子排處，斷開熱電偶段連接,將信號(hào)發(fā)生器連接到DCS信號(hào)端子.上,用信號(hào)發(fā)生器模擬出熱電偶信號(hào),DCS顯示的溫度與信號(hào)發(fā)生器給的溫度基本一致,判斷DCS系統(tǒng)通道正常。
(4)加熱爐溫度檢測(cè)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和通路檢查都屬于正常范圍,但上位機(jī)顯示溫度卻出現(xiàn)了慢慢顯示為最大值現(xiàn)象,據(jù)此懷疑可能是電磁有干擾造成。
(5)重新恢復(fù)回路后查看,發(fā)現(xiàn)溫度恢復(fù)正常,使用一段時(shí)間后，重復(fù)出現(xiàn)上述故障,重新進(jìn)行測(cè)量排查，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量熱電偶正常,測(cè)量熱電偶沒有接地現(xiàn)象,對(duì)地測(cè)量電壓也為0。在機(jī)柜間端子排處測(cè)量發(fā)現(xiàn),熱電偶線路毫伏電壓正常,但是對(duì)地測(cè)量時(shí)有阻值,且該阻值一直在幾十歐姆上下波動(dòng)變化,測(cè)量對(duì)地的電壓信號(hào)也有相對(duì)穩(wěn)定的毫伏電壓，判斷確定問題是由于該干擾電壓產(chǎn)生。對(duì)該干擾電壓進(jìn)行檢查,拆開機(jī)柜間電纜屏蔽層接線發(fā)現(xiàn)幾乎無變化，判斷不是由于機(jī)柜間屏蔽層引起。排查現(xiàn)場(chǎng)回路,現(xiàn)場(chǎng)儀表表頭接線正常,無裸露接地,屏蔽層也包裹完好。順著電纜繼續(xù)查找干擾源,理線查找中發(fā)現(xiàn)該表在進(jìn)加熱爐區(qū)域前經(jīng)過一中間接線箱,打開中間接線箱查看,發(fā)現(xiàn)該接線箱內(nèi)電纜多數(shù)屏蔽層都有腐蝕現(xiàn)象,而檢查的該表電纜屏蔽層腐蝕最為嚴(yán)重,已出現(xiàn)斷裂虛接,重新剝線并處理該處屏蔽層接線后,溫度恢復(fù)正常,且之后未出現(xiàn)相同故障現(xiàn)象。
2.4處理結(jié)果
　　將中間接線箱處的分屏蔽層以及總屏蔽層電纜重新剝開,并對(duì)其進(jìn)行烘干處理,然后將屏蔽層進(jìn)行絕緣處理,對(duì)電纜進(jìn)行重新接線,上電后上位機(jī)顯示恢復(fù)正常。經(jīng)過一段時(shí)間的正常使用,并且定期檢查該儀表中間接線箱,再?zèng)]有發(fā)現(xiàn)屏蔽層出現(xiàn)新的腐蝕現(xiàn)象出現(xiàn),而且02號(hào)熱電偶一直運(yùn)行穩(wěn)定正常。判斷故障處理成功。
3故障分析
　　現(xiàn)場(chǎng)加熱爐熱電偶為鎧裝式熱電偶,具體的測(cè)量回路流程圖如圖2所示,從現(xiàn)場(chǎng)熱電偶引出一根2x1.5mm²K型補(bǔ)償電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)加熱爐的中間接線箱,在接線箱處與來自機(jī)柜間的6x(2x1.5)mm²多芯K型補(bǔ)償電纜連接,通過柜間端子排,再將溫度信號(hào)接人溫度變送安全柵,將測(cè)量的毫伏信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA信號(hào),最后該4~20mA信號(hào)進(jìn)入AI卡件，然后通訊至服務(wù)器進(jìn)行處理,發(fā)送至各操作終端。
 
　　現(xiàn)場(chǎng)采用的信號(hào)電纜為雙絞屏蔽線,雙絞屏蔽線能減少感性耦合引起的干擾。雙絞屏蔽線對(duì)自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)或外部磁場(chǎng)千擾都能很好的抗干擾性。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定,現(xiàn)場(chǎng)采用的屏蔽層單端接地形式,所有信號(hào)電纜統(tǒng)一在機(jī)柜間接地。該案例中中間接線箱處進(jìn)行了分屏蔽層的對(duì)接處理以及總屏蔽層的工作接地,在機(jī)柜間中也進(jìn)行了分屏蔽層的保護(hù)接地以及總屏蔽層的工作接地。整個(gè)儀表回路的接線以及接地情況'是符合相關(guān)規(guī)范要求的。而之所以出現(xiàn)了信號(hào)干擾，則是由于在中間接線箱的屏蔽層處發(fā)生了電化學(xué)腐蝕,從而使屏蔽層中產(chǎn)生了相應(yīng)的電勢(shì)。且電化學(xué)腐蝕發(fā)生的同時(shí)，也伴隨有化學(xué)腐蝕的同步發(fā)生。在這兩種腐蝕的同步發(fā)生中,使屏蔽層不再是單端接地,變相形成了屏蔽層雙端接地情況，在屏蔽層雙端接地情況下，金屬屏蔽層不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓,但當(dāng)金屬屏蔽層受干擾磁通影響將產(chǎn)生屏蔽環(huán)流。如果接地兩端的電勢(shì)不相等,將形成很大的電勢(shì)環(huán)流,環(huán)流會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生抵消衰減效果。
　　深入探討分析,該中間接線箱處為什么會(huì)形成電化學(xué)腐蝕，電化學(xué)腐蝕需要金屬和電解質(zhì)組成兩個(gè)電極,形成腐蝕原電池。在該案例中屏蔽層由金屬銅絲構(gòu)成,滿足了電化學(xué)腐蝕對(duì)金屬的要求，接線箱中的氧氣成分可以作為電解質(zhì)。但是正常情況下，接線箱中的氧氣含量所形成的電解質(zhì)不足以發(fā)生這么嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。經(jīng)深入檢查發(fā)現(xiàn)，接線箱中的多芯電纜接頭處,腐蝕嚴(yán)重,剝開發(fā)現(xiàn)絕緣層下仍然有較為嚴(yán)重的，腐蝕現(xiàn)象。正常情況下是不應(yīng)存在這樣的現(xiàn)象,其原因也只能是因?yàn)槭┕る娎|敷設(shè)期間未對(duì)剪開的電纜接頭做保護(hù)措施，施工期間電纜接頭長(zhǎng)時(shí)間暴露在復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境中,歷經(jīng)了雨水的淋濕及浸泡，所以導(dǎo)致電纜接頭夾層處含水超標(biāo)。且未在接線時(shí)發(fā)現(xiàn)該段電纜夾層中含水超標(biāo)從而未進(jìn)行處理，所以該電纜屏蔽層一直處于一個(gè)濕潤(rùn)潮濕的環(huán)境中。這就構(gòu)成了發(fā)生化學(xué)腐蝕及電化學(xué)腐蝕的外在條件,從而導(dǎo)致了本次故障的發(fā)生。
4結(jié)語
　　綜上所述,本文依據(jù)加熱爐的故障為工程實(shí)例，將產(chǎn)生故障的可能性進(jìn)行了一一排除,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),找到熱電偶檢測(cè)信息在上位機(jī)總是顯示最大值的原因,并解決了這個(gè)熱電偶故障。并通過深入分析,解釋了導(dǎo)致本次故障的根本原因,總結(jié)了事故經(jīng)驗(yàn),為今后的施工和工程使用提供了依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展以及5G技術(shù)的普及,對(duì)測(cè)量回路的故障率以及穩(wěn)定性有著越來越高的要求，當(dāng)測(cè)量?jī)x表在逐步滿足工業(yè)生產(chǎn)要求時(shí)，與之配套的儀表回路各部分的性能也必須提高。在項(xiàng)目實(shí)踐中不斷地發(fā)現(xiàn)、總結(jié)、優(yōu)化,從而使整個(gè)測(cè)量回路能夠滿足新時(shí)代的使用要求。在科技水平提高的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)性能的全面強(qiáng)化,在行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮積極的推動(dòng)作用，一定程度上增強(qiáng)工業(yè)產(chǎn)品自身的環(huán)保性能和安全性。