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如何提高热工仪表热电偶检定系统的效率

来源:www.mms-cn.com作者:蔡艳萍发表时间:2021-01-05 10:05:44

       摘 要:国家能源集团丰城发电有限公司ZRJ智能化热工仪表检定系统投入使用以来,在热电偶的检定过程中,检定炉的控温过程不稳定,控温时间长。通过升级数字万用表和检定炉提高系统抗干扰能力,创造相对独立空间来稳定参考端温度,调整PID控温参数,使检定炉控温过程更加稳定,缩短了控温时间,提高了系统检定效率,提升了经济效益。

 
引言
       由于热电偶检定规程 JJG351—1996《工作用廉金属热电偶检定规程》被JJF1637—2017《廉金属热电偶校准规范》代替,为了满足 JJF1033—2016《计量标准考核规范》对“建标单位应当备有开展检定或校准工作所依据的有效计量检定规程或计量技术规范”的要求,国家能源集团丰城发电有限公司(以下简称丰电公司)热工标准室对热电偶热电阻检定装置进行了升级改造,主要是通过软件升级将热电偶的检定依据改为现行有效版本的 JJF1637—2017《廉金属热电偶
校准规范》和通过硬件升级增加了恒温槽的制冷功能,使热电阻的检定更加方便快捷。系统虽然经过软件升级,但在检定热电偶的过程中,检定炉的控温过程不稳定,控温时间长;机组大修时,大量的热电偶需要校准,给标准室造成很大的压力,需要进一步提高系统检定效率[1]。 
 
1 设备现状
2018 年我们对检定系统的软件进行了升级,解决了热电偶的检定依据是现行有效版本的问题。硬件方面,校准高温热电偶用的检定炉,仍是升级前洞头电器仪表厂生产的HKL-600-60型卧式检定炉。为了达到最佳控温效果,采用经验法和试凑法相结合,
整定出适合用新软件控制旧检定炉的PID参数,但控温效果不太理想,控温时间和升级前相比,没有很大改观,在 300 ℃、400 ℃和 600 ℃三个校准点检定一炉(六支)热电偶,需要时间在 4 h 以上,具体见表 1和图1。
表1参数下的控温曲线和功率曲线
系统配套的恒温槽主要用于检定热电阻和低温热电偶。恒温槽升级后,解决了检定热电阻时,0 ℃精准控温的问题。升级后的恒温槽自带控温功能,采用的是日本岛电 SHIMADEN 的 SRS13A 型控温仪表,出厂时已根据所使用的介质调整了控温参数,可实现(-10~120)℃范围内的精准控温。该恒温槽从室温降到0 ℃和从0 ℃升至100 ℃所需时间大约都是30 min,较之升级前,效率有了很大的提高[2]。
 
2 存在问题及解决方法
针对该系统校准热电偶时控温效果不理想的现状,我们通过试验进行分析,找出以下原因,并针对这些原因制定了解决方案。 2.1 硬件设备抗干扰能力弱HKL-600-60 型检定炉从 2008 年投入使用至今,设备老化严重,在高温检定热电偶时,产生的感应电会对标准热电偶测量产生的直流毫伏信号造成干扰,从而影响其控温效果。
 
针对这一现状,对检定炉进行了升级,采用与该系统软件配套的泰安磐然测控科技有限公司生产的PR320A 型检定炉,并将原 HP34401A 型数字万用表升级为抗干扰能力更强的KEITHLEY 2010型数字万用表,使系统的抗干扰能力得到提高,为缩短校准时间、提高校准效率提供了硬件基础。 2.2 稳定参考端温度由于热电偶输出电势的大小与其两端的温度有关,其温度-电势关系曲线是在冷端(参考端)温度为0 ℃时分度的,因此当冷端温度不为0 ℃时,必须进行冷端温度补偿。
 
升级后的检定(校准)系统可以选择采用零点恒温器使参考端温度恒定在0 ℃,采用这种方法因冷端温度引起的测量误差很小,也减小了因冷端温度波动而使数据采集受到的影响。但采用该补偿方式操作相对复杂,且需要使用和热电偶相配套的补偿导线,经济上也相对不划算。因此,我们在日常校准工作中,更多地选择另一种冷端补偿方式:采用集成温度传感器AD590来测量参考端温度并经行室温补偿。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源,具有精度高、线性好等优点,常用于测温和热电偶的冷端补偿。由于AD590灵敏度高,能很灵敏地感应到冷端温度的微小波动,因此对冷端温度的稳定性要求较高。在试验中,除了将检定区单独隔离,还另外用干净的白布将AD590和标准热电偶冷端、被检热电偶冷端罩在一起,创造一个更小的相对独立空间,减小室温变化对测量的影响。
 
2.3 优化PID控温参数
ZRJ智能化热工仪表检定系统通过标准热电偶、数字表以及扫描器,由软件对检定炉进行温度控制。在实际的使用过程中,一般分为两种情况,一种情况是在正常使用的状态,另外一种情况是进行重复性测试的状态。正常使用的情况是按照校准规范进行正常校准。我厂使用较多的是E分度热电偶,根据其测温上限和现场使用情况,我们一般校三个点:300 ℃、400 ℃和 600 ℃。为了达到最佳控温效果,我们对这三个校准点的 PID参数进行优化,期望得到图 2中的理想控温曲线[3]。
理想控温参数下的温度曲线和功率曲线
该系统可以在升温或恒温过程中,通过选择菜单“设置”中的“自整定”,程序将在温度到达规定的温度偏差时进入PID参数自整定过程,软件通过对几个波动周期的数值分析,自动计算出该点的 PID 参数,并自动记录,自动设定为新的 PID 参数用于控制炉温。用自整定方法可以比较快速地找出 PID 参数的大概范围,但是只能满足基本的控温要求,不能精准调节,控温效果不佳,效率低。
 
将几种PID参数的整定方法进行比较后,我们选用了“临界比例度法”来整定ZRJ智能化热工仪表检定系统的控温参数:运行热电偶检定(校准)程序,设定若干需要整定参数的校准点后,选中“设置”菜单中的“PID整定、禁止扫描”选项并通过“查看”菜单选择显示温度曲线和功率曲线。待温度升至各个校准点附近,功率曲线处在曲线坐标框内(下限无削波现象)时,通 过“恒温设备控温参数”菜单,将该校准点的积分时间(Ti)改为1 000.0,微分时间(Td)改为0.0,并将比例系数(P)适当减小,使控温过程变为纯比例调节。观察功率曲线的变化,若功率曲线衰减,则进一步减小比例系数,若功率曲线发散,则适当增大比例系数,直到功率曲线出现4~5次等幅振荡(幅度不要过大),记下此时的比例系数(即临界Pk),并算出功率曲线以分钟为单位的振荡周期(即临界周期Tk),按以下经验公式计算出比例系数(P)、积分时间(Ti
)、微分时间(Td):
P=1.7×Pk; Ti=0.7×Tk; Td=0.125×Tk
 
将计算出的P、Ti、Td三个参数输入“检定炉、油槽参数对话框”中对应栏中,取消“设置”菜单中的“PID整定、禁止扫描”选项,炉温在新的PID参数调节下稳定并完成扫描测量后自动进入下一个校准点的参数整定。
 
采用“临界比例度法”得到了新的 PID 控温参数和控温曲线,详见图3、图4。
采用“临界比例度法”整定出控温参数采用“临界比例度法”整定的温度曲线和功率曲线
该方法虽然需要耗费很多的时间来整定参数,但是整定出的 PID 参数精确,大幅提高了系统的检定(校准)效率。 2.4 针对不同的检定要求,采用不同的比例系数丰电公司现场使用的热电偶大部分都是 E 分度的,所测量的温度最高不超过600 ℃,因此,我们根据实际需要,选择 300 ℃、400 ℃和 600 ℃三个校准点,其控温参数和曲线如图 3、图 4 所示。对于在现场少量用到的K分度热电偶,我们一般选择400 ℃、600 ℃ 和800 ℃三个校准点,此时,图4中的400 ℃温度点的比例系数“6%”太小了,会造成该校准点的升温时间大幅增加,我们将该参数调整为“9%”后,检定K分度热电偶的效率也得到了提高。
 
另外,做 600 ℃重复性试验的时候,一般按要求做 10次。由于系统设置为温度稳定在 600 ℃并达到数据采集条件后进行数据采集,数据采集结束后,待温度降低50 ℃,再进行下一次升温,此时如果仍采用正常校准时的PID控温参数,显然控温效果会很不理想。我们通过试验,得出:第一次重复性测试时,可用正常校准的PID参数进行控温。第一次测试完成后,立即将 600 ℃的控温比例系数(P)由“7.5%”改为“4%”,可获得较好的控温效果。 
 
3 实施效果
通过硬件升级提高系统的抗干扰能力,采用稳定参考端温度的方法来减少测量的波动,优化PID控温参数来达到精准控温,三条对策实施后,大幅提高了ZRJ 智能化热工仪表检定系统的效率,将 300 ℃、400 ℃和600 ℃三个温度点校准热电偶的时间从原来
的四个多小时降到了现在的两个小时左右。针对不同的校准点控温以及做重复性试验时的控温,通过修改比例系数,也取得了很好的控温效果,节省了时间,提高了系统检定效率,间接提升了经济效益。 
 
4 结语
热电偶和热电阻是电厂广泛应用的测温元件,为了确保新安装的元件能够正常使用,大修时,需要大批量地检定和校准温度元件。为了缓解实验室的检定(校准)压力,我们通过以上措施来优化系统,提高了系统的检定(校准)效率,取得了较好的效果。今 后,我们还要在实践中不断总结提高,为打造一流的实验室而努力。