某熱工設(shè)備溫度檢測端口的改造

摘 要：隨著某種新型材料在本公司某產(chǎn)品的零部件用量和復(fù)雜程度均有了極大的提升，作為產(chǎn)品零部件生產(chǎn)線中固化工序的某熱工設(shè)備也逐步體現(xiàn)出了重要性。本設(shè)備作為爐窯設(shè)備的一種，需要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求對設(shè)備內(nèi)溫度均勻性進行每月一次的定期檢測，如溫度均勻性超差，需要重新調(diào)整設(shè)備相關(guān)的控制軟件或熱力學系統(tǒng)硬件。文章將闡述對本設(shè)備溫度檢測端口進行符合國內(nèi)工藝要求的適應(yīng)性改造。

關(guān)鍵詞：熱工設(shè)備；溫度檢測端口；改造

1 設(shè)備基本信息

本設(shè)備是典型的爐窯設(shè)備嵌套在壓力容器內(nèi)的組合體，加熱/降溫狀況下在設(shè)備內(nèi)形成直徑1m、長度2m、最高工作溫度250℃，工作區(qū)域內(nèi)溫度均勻性±2℃、內(nèi)部最大氣壓1.5Mpa、真空管內(nèi)真空度-0.097Mpa的圓柱形加熱區(qū)域。

2 原設(shè)計方案說明

設(shè)備內(nèi)用于測溫的支架是前后兩個門圈，上面分布9個測溫點（分別為門圈4個點，尾圈4個點，以及正中央1個點），測溫點通過標準的經(jīng)過受控檢測的熱電偶線連接到設(shè)備內(nèi)壁的溫度快卸接口（插排），設(shè)備內(nèi)壁的快卸接口通過連接部件（金屬材質(zhì)的電信號傳遞元件）和密封元件（也包括保溫材料）與設(shè)備外壁的快卸接口（插排）相連接。設(shè)備外壁的快卸接口通過專用的數(shù)據(jù)信號線直接連接入控制計算機的數(shù)據(jù)采集A/D接口。

設(shè)備采取此類設(shè)計的原因是：該設(shè)備的原產(chǎn)國熱處理行業(yè)普遍許可的工藝控制文件（AMS2750“D”）沒有強制規(guī)定檢測溫度均勻性時一定需要用經(jīng)過計量受控的獨立的溫度記錄儀，即未限定設(shè)備制造廠家不得使用計算機軟件進行溫度檢測通道的本身誤差修正。在具體操作層面講，可以將之前提到的原9個測溫點所對應(yīng)的9股不同的熱電偶線捆扎在同一個測溫點，觀察在升溫過程中各個預(yù)設(shè)測溫點（70℃+10℃*n）讀數(shù)差別，將此值作為通道的本身誤差，并采用直線平均擬合的方式對測溫點之間的溫度點進行通道誤差的擬合計算，并所擬合出的每個點的通道誤差值用于后續(xù)實際測溫時的反向修正補償。

但是，根據(jù)國內(nèi)本行業(yè)的熱工工藝文件（GB、GB/T）要求，熱工設(shè)備的溫度均勻性檢測必須采用經(jīng)過計量受控的獨立的溫度記錄儀（本公司使用Agilent 34970A）進行溫度數(shù)據(jù)的記錄和實時打印，也就意味著所測得的溫度均勻性總誤差數(shù)據(jù)必定包括了所檢測區(qū)域溫度均勻性本身的誤差和溫度檢測端口通道本身的誤差兩部分。

3 改造方案簡述

溫度檢測端口改造的方案制定仍需要考慮如下因素：

（1）測溫熱電偶全閉環(huán)的通路和整體功能仍應(yīng)完整可靠。結(jié)合本設(shè)備的設(shè)計原理，因為控制計算機不僅需對9路測溫點熱電偶的溫度數(shù)據(jù)進行采樣、控制和記錄，還需要在軟件后臺的控制PLC內(nèi)對9個測溫點數(shù)據(jù)中的最高/低值實時的設(shè)置高溫熱電偶HIGH_TC和低溫熱電偶LOW_TC作為加大/降低不同位置加熱單元的控制信號。

（2）基于控制系統(tǒng)安全因素的考慮，設(shè)備內(nèi)還設(shè)計了另一路獨立的超溫（報警）熱電偶，該路熱電偶放置在區(qū)域內(nèi)前方靠近頂部位置，且該路超溫熱電偶對設(shè)備系統(tǒng)而言起著超溫報警和總體降低加熱功率的安全監(jiān)測功能，所以不能簡單的在A/D接口處將它與設(shè)備外壁的快卸接口的連接線路打斷。

因此綜合考慮上述兩項因素后，將整個測溫系統(tǒng)改造的重點放在設(shè)備內(nèi)壁和外壁的熱電偶快卸接口和連接部件，此項改造需要解決兩個問題：

（1）獨立的溫度記錄儀在整個測溫系統(tǒng)中的連接位置問題：設(shè)

備外壁溫度檢測接口處是可以直接通過采樣數(shù)據(jù)線連接到溫度記錄儀的，但是因為設(shè)備快卸接口本身設(shè)計的原因和考慮壓力容器強度的因素，將接口都匯總集合到一個緊密的插排上，現(xiàn)有的“一”字型直通金屬扣雖然符合電氣/電子的接口標準，但是緊密的布置會導(dǎo)致多個通道之間容易碰線，無法正常的實現(xiàn)溫度檢測。因此一個可行的方法是將標準的“一”字型直通金屬扣替換為“T”字型三通金屬扣，且上下兩排的“T”字連出線都朝向外側(cè)，通過這種方法，就給獨立的溫度記錄儀配置了旁通（三通結(jié)構(gòu)）的標準接口。

（2）如何實現(xiàn)測溫通道本身的誤差降低問題：經(jīng)查找快卸接口位置的設(shè)備機械結(jié)構(gòu)圖紙后分析發(fā)現(xiàn)，溫度檢測通道的誤差與熱電偶線基本無關(guān)，而來自于接口處金屬材料本身：原設(shè)計中接口處的金屬片，其內(nèi)端連接設(shè)備區(qū)域內(nèi)的熱電偶線插頭，其外端在處保溫棉的包裹下通過承壓密封環(huán)連接到罐體外壁熱電偶接口的向內(nèi)延伸部分。因為設(shè)備加熱區(qū)域內(nèi)的熱風回流方向為底部——罐頭——罐尾，靠近罐頭的接口先熱，靠近罐尾的后熱，造成各個接口金屬的受熱狀況不同。接口本身的電阻值與溫度（在此設(shè)備正常加熱范圍內(nèi)）基本成線性關(guān)系；另一方面包裹住接頭外側(cè)金屬的保溫棉的密實程度也不同，這就造成了插排外側(cè)的傳熱存在不穩(wěn)定的情況。

4 改造實施說明和結(jié)果

改造實施前，如前文所述方式測得通道誤差數(shù)據(jù)表和溫度均勻性誤差數(shù)據(jù)表。對通道誤差數(shù)據(jù)查看可以發(fā)現(xiàn)：通道誤差隨溫度增長呈現(xiàn)一定程度的隨機分布，通道誤差絕對值≤±1.8℃，已經(jīng)接近溫度均勻性≤±2℃的極限。這就對溫度檢測誤差造成了較大幅度的不確定的正增幅和負減幅：如果誤差方向相同，則容易造成誤差累積，于是可能造成總誤差的較大超差。所幸的是，復(fù)合PID結(jié)構(gòu)式溫度控制系統(tǒng)基本體現(xiàn)了它的優(yōu)點，對于大部分的大幅度通道誤差，都用反向的溫度均勻性誤差進行補償。

基于上述考慮，將分步實施如下改造作業(yè)：

（1）拆卸現(xiàn)有內(nèi)壁和外壁的接口（含插排），以及其中的接口——接口金屬連接片。

（2）將剩余的保溫棉厚度從8cm挖薄到4cm并均勻的壓實。需要說明的是：原則上來說，沒有保溫棉，通道溫度均勻場將基本不存在誤差，可以基本消除通道超差。但是本設(shè)備基于安全使用的考慮，要求壓力容器外壁不得溫度過高以免燙傷作業(yè)人員，因此仍需足量厚度的保溫棉覆蓋接插口確保整個設(shè)備的保溫效果，而剩余的8cm-4cm=4cm空缺厚度則可以將接口的剩余金屬部分露出于外側(cè)的空氣中（較為均勻的溫度場）。

（3）將內(nèi)壁和外壁的插座面板金屬框，除邊框和固定插座的部分之外全部挖穿，并制作整體式的正方形框架。

（4）在上一條提及的整體式的正方形框架中，重新安裝內(nèi)壁和外壁的接口（含插排），將金屬連接片重新連接到插排，配合剩余的4cm保溫棉。

（5）在框架內(nèi)固定內(nèi)壁和外壁的插排。

（6）將框架固定于設(shè)備內(nèi)壁和外壁上。

實施完成上述六步后，再次測得通道誤差數(shù)據(jù)表和溫度均勻性誤差數(shù)據(jù)表。對通道誤差數(shù)據(jù)查看可以發(fā)現(xiàn)：通過接口改造后，所有通道接口誤差數(shù)值均在基準溫度設(shè)置點的≤±0.5℃以內(nèi)，相對于改造前已經(jīng)逼近溫度均勻性上限的≤±1.8℃有了很大程度地降低；同時，已經(jīng)包括了通道本身誤差的溫度均勻性誤差仍保持≤±1.5℃，且相對于之前測試的結(jié)果≤±2℃，誤差絕對值更小，說明溫度場更均勻。

5 總結(jié)和推廣

本設(shè)備通過上文所述的（1）將標準的“一”字型直通金屬扣替換為“T”字型三通金屬扣以連接獨立溫度記錄儀和（2）改造檢測端口內(nèi)部結(jié)構(gòu)（保溫棉厚度減少，制作整體式金屬框架）的方式，實現(xiàn)了溫度檢測通道本身誤差和設(shè)備區(qū)域溫度均勻性誤差兩個指標均大幅降低的改造目的，因此也就實現(xiàn)了此類國外進口設(shè)備在溫度檢測方面對國內(nèi)熱工工藝的適應(yīng)性改造，同時此次設(shè)備改造的技術(shù)上簡單可靠、經(jīng)濟上花費極少，改造效果總體良好。

結(jié)合此設(shè)備的改造經(jīng)驗，可以進一步擴展將為零件生產(chǎn)線中熱處理工序先進熱工設(shè)備的采購引進和溫度檢測技術(shù)管理工作起到推動作用。