某熱工設(shè)備溫度檢測(cè)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(duì)設(shè)備內(nèi)溫度均勻性進(jìn)行每月一次的定期檢測(cè)，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(xué)系統(tǒng)硬件。文章將闡述對(duì)本設(shè)備溫度檢測(cè)端口進(jìn)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(cè)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(jì)方案說明

設(shè)備內(nèi)用于測(cè)溫的支架是前后兩個(gè)門圈，上面分布9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)（分別為門圈4個(gè)點(diǎn)，尾圈4個(gè)點(diǎn)，以及正中央1個(gè)點(diǎn)），測(cè)溫點(diǎn)通過標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)過受控檢測(cè)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(hào)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(hào)線直接連接入控制計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集A/D接口。

設(shè)備采取此類設(shè)計(jì)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(qiáng)制規(guī)定檢測(cè)溫度均勻性時(shí)一定需要用經(jīng)過計(jì)量受控的獨(dú)立的溫度記錄儀，即未限定設(shè)備制造廠家不得使用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行溫度檢測(cè)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(gè)測(cè)溫點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的9股不同的熱電偶線捆扎在同一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，觀察在升溫過程中各個(gè)預(yù)設(shè)測(cè)溫點(diǎn)（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(duì)測(cè)溫點(diǎn)之間的溫度點(diǎn)進(jìn)行通道誤差的擬合計(jì)算，并所擬合出的每個(gè)點(diǎn)的通道誤差值用于后續(xù)實(shí)際測(cè)溫時(shí)的反向修正補(bǔ)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(cè)必須采用經(jīng)過計(jì)量受控的獨(dú)立的溫度記錄儀（本公司使用Agilent 34970A）進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的記錄和實(shí)時(shí)打印，也就意味著所測(cè)得的溫度均勻性總誤差數(shù)據(jù)必定包括了所檢測(cè)區(qū)域溫度均勻性本身的誤差和溫度檢測(cè)端口通道本身的誤差兩部分。

3 改造方案簡述

溫度檢測(cè)端口改造的方案制定仍需要考慮如下因素：

（1）測(cè)溫?zé)犭娕既]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(jì)原理，因?yàn)榭刂朴?jì)算機(jī)不僅需對(duì)9路測(cè)溫點(diǎn)熱電偶的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣、控制和記錄，還需要在軟件后臺(tái)的控制PLC內(nèi)對(duì)9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)中的最高/低值實(shí)時(shí)的設(shè)置高溫?zé)犭娕糎IGH_TC和低溫?zé)犭娕糒OW_TC作為加大/降低不同位置加熱單元的控制信號(hào)。

（2）基于控制系統(tǒng)安全因素的考慮，設(shè)備內(nèi)還設(shè)計(jì)了另一路獨(dú)立的超溫（報(bào)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?zé)犭娕紝?duì)設(shè)備系統(tǒng)而言起著超溫報(bào)警和總體降低加熱功率的安全監(jiān)測(cè)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(xiàng)因素后，將整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)改造的重點(diǎn)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(xiàng)改造需要解決兩個(gè)問題：

（1）獨(dú)立的溫度記錄儀在整個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)中的連接位置問題：設(shè)

備外壁溫度檢測(cè)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?yàn)樵O(shè)備快卸接口本身設(shè)計(jì)的原因和考慮壓力容器強(qiáng)度的因素，將接口都匯總集合到一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，但是緊密的布置會(huì)導(dǎo)致多個(gè)通道之間容易碰線，無法正常的實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)。因此一個(gè)可行的方法是將標(biāo)準(zhǔn)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(dú)立的溫度記錄儀配置了旁通（三通結(jié)構(gòu)）的標(biāo)準(zhǔn)接口。

（2）如何實(shí)現(xiàn)測(cè)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(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙后分析發(fā)現(xiàn)，溫度檢測(cè)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(jì)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?yàn)樵O(shè)備加熱區(qū)域內(nèi)的熱風(fēng)回流方向?yàn)榈撞俊揞^——罐尾，靠近罐頭的接口先熱，靠近罐尾的后熱，造成各個(gè)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(shí)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(shí)施說明和結(jié)果

改造實(shí)施前，如前文所述方式測(cè)得通道誤差數(shù)據(jù)表和溫度均勻性誤差數(shù)據(jù)表。對(duì)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(jī)分布，通道誤差絕對(duì)值≤±1.8℃，已經(jīng)接近溫度均勻性≤±2℃的極限。這就對(duì)溫度檢測(cè)誤差造成了較大幅度的不確定的正增幅和負(fù)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(diǎn)，對(duì)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(jìn)行補(bǔ)償。

基于上述考慮，將分步實(shí)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(shí)。需要說明的是：原則上來說，沒有保溫棉，通道溫度均勻場(chǎng)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(gè)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(chǎng)）。

（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(shí)施完成上述六步后，再次測(cè)得通道誤差數(shù)據(jù)表和溫度均勻性誤差數(shù)據(jù)表。對(duì)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(zhǔn)溫度設(shè)置點(diǎn)的≤±0.5℃以內(nèi)，相對(duì)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(shí)，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(duì)于之前測(cè)試的結(jié)果≤±2℃，誤差絕對(duì)值更小，說明溫度場(chǎng)更均勻。

5 總結(jié)和推廣

本設(shè)備通過上文所述的（1）將標(biāo)準(zhǔn)的“一”字型直通金屬扣替換為“T”字型三通金屬扣以連接獨(dú)立溫度記錄儀和（2）改造檢測(cè)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(shí)現(xiàn)了溫度檢測(cè)通道本身誤差和設(shè)備區(qū)域溫度均勻性誤差兩個(gè)指標(biāo)均大幅降低的改造目的，因此也就實(shí)現(xiàn)了此類國外進(jìn)口設(shè)備在溫度檢測(cè)方面對(duì)國內(nèi)熱工工藝的適應(yīng)性改造，同時(shí)此次設(shè)備改造的技術(shù)上簡單可靠、經(jīng)濟(jì)上花費(fèi)極少，改造效果總體良好。

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