提高ZRJ智能化熱工儀表檢定系統(tǒng)的效率

蔡艷萍

（國能豐城發(fā)電有限公司，江西 豐城 331100）

0 引言

由于熱電偶檢定規(guī)程JJG351—1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規(guī)程》被JJF1637—2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》代替，為了滿足JJF1033—2016《計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》對(duì)“建標(biāo)單位應(yīng)當(dāng)備有開展檢定或校準(zhǔn)工作所依據(jù)的有效計(jì)量檢定規(guī)程或計(jì)量技術(shù)規(guī)范”的要求，國家能源集團(tuán)豐城發(fā)電有限公司（以下簡稱豐電公司）熱工標(biāo)準(zhǔn)室對(duì)熱電偶熱電阻檢定裝置進(jìn)行了升級(jí)改造，主要是通過軟件升級(jí)將熱電偶的檢定依據(jù)改為現(xiàn)行有效版本的JJF1637—2017《廉金屬熱電偶校準(zhǔn)規(guī)范》和通過硬件升級(jí)增加了恒溫槽的制冷功能，使熱電阻的檢定更加方便快捷。系統(tǒng)雖然經(jīng)過軟件升級(jí)，但在檢定熱電偶的過程中，檢定爐的控溫過程不穩(wěn)定，控溫時(shí)間長；機(jī)組大修時(shí)，大量的熱電偶需要校準(zhǔn)，給標(biāo)準(zhǔn)室造成很大的壓力，需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)檢定效率[1]。

1 設(shè)備現(xiàn)狀

2018 年我們對(duì)檢定系統(tǒng)的軟件進(jìn)行了升級(jí)，解決了熱電偶的檢定依據(jù)是現(xiàn)行有效版本的問題。硬件方面，校準(zhǔn)高溫?zé)犭娕加玫臋z定爐，仍是升級(jí)前洞頭電器儀表廠生產(chǎn)的HKL-600-60型臥式檢定爐。為了達(dá)到最佳控溫效果，采用經(jīng)驗(yàn)法和試湊法相結(jié)合，整定出適合用新軟件控制舊檢定爐的PID參數(shù)，但控溫效果不太理想，控溫時(shí)間和升級(jí)前相比，沒有很大改觀，在300℃、400℃和600℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)檢定一爐（六支）熱電偶，需要時(shí)間在4 h以上，具體見表1和圖1。

表1 軟件升級(jí)后配套檢定爐的控溫參數(shù)

圖1 表1參數(shù)下的控溫曲線和功率曲線

系統(tǒng)配套的恒溫槽主要用于檢定熱電阻和低溫?zé)犭娕肌：銣夭凵?jí)后，解決了檢定熱電阻時(shí)，0℃精準(zhǔn)控溫的問題。升級(jí)后的恒溫槽自帶控溫功能，采用的是日本島電SHIMADEN的SRS13A型控溫儀表，出廠時(shí)已根據(jù)所使用的介質(zhì)調(diào)整了控溫參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)（-10～120）℃范圍內(nèi)的精準(zhǔn)控溫。該恒溫槽從室溫降到0℃和從0℃升至100℃所需時(shí)間大約都是30 min，較之升級(jí)前，效率有了很大的提高[2]。

2 存在問題及解決方法

針對(duì)該系統(tǒng)校準(zhǔn)熱電偶時(shí)控溫效果不理想的現(xiàn)狀，我們通過試驗(yàn)進(jìn)行分析，找出以下原因，并針對(duì)這些原因制定了解決方案。

2.1 硬件設(shè)備抗干擾能力弱

HKL-600-60型檢定爐從2008年投入使用至今，設(shè)備老化嚴(yán)重，在高溫檢定熱電偶時(shí)，產(chǎn)生的感應(yīng)電會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶測(cè)量產(chǎn)生的直流毫伏信號(hào)造成干擾，從而影響其控溫效果。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)檢定爐進(jìn)行了升級(jí)，采用與該系統(tǒng)軟件配套的泰安磐然測(cè)控科技有限公司生產(chǎn)的PR320A型檢定爐，并將原HP34401A型數(shù)字萬用表升級(jí)為抗干擾能力更強(qiáng)的KEITHLEY 2010型數(shù)字萬用表，使系統(tǒng)的抗干擾能力得到提高，為縮短校準(zhǔn)時(shí)間、提高校準(zhǔn)效率提供了硬件基礎(chǔ)。

2.2 穩(wěn)定參考端溫度

由于熱電偶輸出電勢(shì)的大小與其兩端的溫度有關(guān)，其溫度-電勢(shì)關(guān)系曲線是在冷端（參考端）溫度為0℃時(shí)分度的，因此當(dāng)冷端溫度不為0℃時(shí)，必須進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償。

升級(jí)后的檢定（校準(zhǔn)）系統(tǒng)可以選擇采用零點(diǎn)恒溫器使參考端溫度恒定在0℃，采用這種方法因冷端溫度引起的測(cè)量誤差很小，也減小了因冷端溫度波動(dòng)而使數(shù)據(jù)采集受到的影響。但采用該補(bǔ)償方式操作相對(duì)復(fù)雜，且需要使用和熱電偶相配套的補(bǔ)償導(dǎo)線，經(jīng)濟(jì)上也相對(duì)不劃算。因此，我們?cè)谌粘Ｐ?zhǔn)工作中，更多地選擇另一種冷端補(bǔ)償方式：采用集成溫度傳感器AD590來測(cè)量參考端溫度并經(jīng)行室溫補(bǔ)償。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源，具有精度高、線性好等優(yōu)點(diǎn)，常用于測(cè)溫和熱電偶的冷端補(bǔ)償。由于AD590靈敏度高，能很靈敏地感應(yīng)到冷端溫度的微小波動(dòng)，因此對(duì)冷端溫度的穩(wěn)定性要求較高。在試驗(yàn)中，除了將檢定區(qū)單獨(dú)隔離，還另外用干凈的白布將AD590和標(biāo)準(zhǔn)熱電偶冷端、被檢熱電偶冷端罩在一起，創(chuàng)造一個(gè)更小的相對(duì)獨(dú)立空間，減小室溫變化對(duì)測(cè)量的影響。

2.3 優(yōu)化PID控溫參數(shù)

ZRJ智能化熱工儀表檢定系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、數(shù)字表以及掃描器，由軟件對(duì)檢定爐進(jìn)行溫度控制。在實(shí)際的使用過程中，一般分為兩種情況，一種情況是在正常使用的狀態(tài)，另外一種情況是進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試的狀態(tài)。正常使用的情況是按照校準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行正常校準(zhǔn)。我廠使用較多的是E分度熱電偶，根據(jù)其測(cè)溫上限和現(xiàn)場(chǎng)使用情況，我們一般校三個(gè)點(diǎn)：300℃、400℃和600℃。為了達(dá)到最佳控溫效果，我們對(duì)這三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的PID參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，期望得到圖2中的理想控溫曲線[3]。

圖2 理想控溫參數(shù)下的溫度曲線和功率曲線

該系統(tǒng)可以在升溫或恒溫過程中，通過選擇菜單“設(shè)置”中的“自整定”，程序?qū)⒃跍囟鹊竭_(dá)規(guī)定的溫度偏差時(shí)進(jìn)入PID參數(shù)自整定過程，軟件通過對(duì)幾個(gè)波動(dòng)周期的數(shù)值分析，自動(dòng)計(jì)算出該點(diǎn)的PID參數(shù)，并自動(dòng)記錄，自動(dòng)設(shè)定為新的PID參數(shù)用于控制爐溫。用自整定方法可以比較快速地找出PID參數(shù)的大概范圍，但是只能滿足基本的控溫要求，不能精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，控溫效果不佳，效率低。

將幾種PID參數(shù)的整定方法進(jìn)行比較后，我們選用了“臨界比例度法”來整定ZRJ智能化熱工儀表檢定系統(tǒng)的控溫參數(shù)：運(yùn)行熱電偶檢定（校準(zhǔn)）程序，設(shè)定若干需要整定參數(shù)的校準(zhǔn)點(diǎn)后，選中“設(shè)置”菜單中的“PID整定、禁止掃描”選項(xiàng)并通過“查看”菜單選擇顯示溫度曲線和功率曲線。待溫度升至各個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)附近，功率曲線處在曲線坐標(biāo)框內(nèi)（下限無削波現(xiàn)象）時(shí)，通過“恒溫設(shè)備控溫參數(shù)”菜單，將該校準(zhǔn)點(diǎn)的積分時(shí)間（Ti）改為1 000.0，微分時(shí)間（Td）改為0.0，并將比例系數(shù)（P）適當(dāng)減小，使控溫過程變?yōu)榧儽壤{(diào)節(jié)。觀察功率曲線的變化，若功率曲線衰減，則進(jìn)一步減小比例系數(shù)，若功率曲線發(fā)散，則適當(dāng)增大比例系數(shù)，直到功率曲線出現(xiàn)4～5次等幅振蕩（幅度不要過大），記下此時(shí)的比例系數(shù)（即臨界Pk），并算出功率曲線以分鐘為單位的振蕩周期（即臨界周期Tk），按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出比例系數(shù)（P）、積分時(shí)間（Ti）、微分時(shí)間（Td）：

P=1.7×Pk；Ti=0.7×Tk；Td=0.125×Tk

將計(jì)算出的P、Ti、Td三個(gè)參數(shù)輸入“檢定爐、油槽參數(shù)對(duì)話框”中對(duì)應(yīng)欄中，取消“設(shè)置”菜單中的“PID整定、禁止掃描”選項(xiàng)，爐溫在新的PID參數(shù)調(diào)節(jié)下穩(wěn)定并完成掃描測(cè)量后自動(dòng)進(jìn)入下一個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)的參數(shù)整定。

采用“臨界比例度法”得到了新的PID控溫參數(shù)和控溫曲線，詳見圖3、圖4。

圖3 采用“臨界比例度法”整定出控溫參數(shù)

圖4 采用“臨界比例度法”整定的溫度曲線和功率曲線

該方法雖然需要耗費(fèi)很多的時(shí)間來整定參數(shù)，但是整定出的PID參數(shù)精確，大幅提高了系統(tǒng)的檢定（校準(zhǔn)）效率。

2.4 針對(duì)不同的檢定要求，采用不同的比例系數(shù)

豐電公司現(xiàn)場(chǎng)使用的熱電偶大部分都是E分度的，所測(cè)量的溫度最高不超過600℃，因此，我們根據(jù)實(shí)際需要，選擇300℃、400℃和600℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，其控溫參數(shù)和曲線如圖3、圖4所示。對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)少量用到的K分度熱電偶，我們一般選擇400℃、600℃和800℃三個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)，此時(shí)，圖4中的400℃溫度點(diǎn)的比例系數(shù)“6%”太小了，會(huì)造成該校準(zhǔn)點(diǎn)的升溫時(shí)間大幅增加，我們將該參數(shù)調(diào)整為“9%”后，檢定K分度熱電偶的效率也得到了提高。

另外，做600℃重復(fù)性試驗(yàn)的時(shí)候，一般按要求做10次。由于系統(tǒng)設(shè)置為溫度穩(wěn)定在600℃并達(dá)到數(shù)據(jù)采集條件后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，待溫度降低50℃，再進(jìn)行下一次升溫，此時(shí)如果仍采用正常校準(zhǔn)時(shí)的PID控溫參數(shù)，顯然控溫效果會(huì)很不理想。我們通過試驗(yàn)，得出：第一次重復(fù)性測(cè)試時(shí)，可用正常校準(zhǔn)的PID參數(shù)進(jìn)行控溫。第一次測(cè)試完成后，立即將600℃的控溫比例系數(shù)（P）由“7.5%”改為“4%”，可獲得較好的控溫效果。

3 實(shí)施效果

通過硬件升級(jí)提高系統(tǒng)的抗干擾能力，采用穩(wěn)定參考端溫度的方法來減少測(cè)量的波動(dòng)，優(yōu)化PID控溫參數(shù)來達(dá)到精準(zhǔn)控溫，三條對(duì)策實(shí)施后，大幅提高了ZRJ智能化熱工儀表檢定系統(tǒng)的效率，將300℃、400℃和600℃三個(gè)溫度點(diǎn)校準(zhǔn)熱電偶的時(shí)間從原來的四個(gè)多小時(shí)降到了現(xiàn)在的兩個(gè)小時(shí)左右。針對(duì)不同的校準(zhǔn)點(diǎn)控溫以及做重復(fù)性試驗(yàn)時(shí)的控溫，通過修改比例系數(shù)，也取得了很好的控溫效果，節(jié)省了時(shí)間，提高了系統(tǒng)檢定效率，間接提升了經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

熱電偶和熱電阻是電廠廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，為了確保新安裝的元件能夠正常使用，大修時(shí)，需要大批量地檢定和校準(zhǔn)溫度元件。為了緩解實(shí)驗(yàn)室的檢定（校準(zhǔn)）壓力，我們通過以上措施來優(yōu)化系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的檢定（校準(zhǔn)）效率，取得了較好的效果。今后，我們還要在實(shí)踐中不斷總結(jié)提高，為打造一流的實(shí)驗(yàn)室而努力。