如何提高熱工儀表熱電偶檢定系統的效率

 

引言

       由于熱電偶檢定規程 JJG351—1996《工作用廉金屬熱電偶檢定規程》被JJF1637—2017《廉金屬熱電偶校準規范》代替，為了滿足 JJF1033—2016《計量標準考核規范》對“建標單位應當備有開展檢定或校準工作所依據的有效計量檢定規程或計量技術規范”的要求，國家能源集團豐城發電有限公司（以下簡稱豐電公司）熱工標準室對熱電偶熱電阻檢定裝置進行了升級改造，主要是通過軟件升級將熱電偶的檢定依據改為現行有效版本的 JJF1637—2017《廉金屬熱電偶

校準規范》和通過硬件升級增加了恒溫槽的制冷功能，使熱電阻的檢定更加方便快捷。系統雖然經過軟件升級，但在檢定熱電偶的過程中，檢定爐的控溫過程不穩定，控溫時間長；機組大修時，大量的熱電偶需要校準，給標準室造成很大的壓力，需要進一步提高系統檢定效率[1]。 

 

1 設備現狀

2018 年我們對檢定系統的軟件進行了升級，解決了熱電偶的檢定依據是現行有效版本的問題。硬件方面，校準高溫熱電偶用的檢定爐，仍是升級前洞頭電器儀表廠生產的HKL-600-60型臥式檢定爐。為了達到最佳控溫效果，采用經驗法和試湊法相結合，

整定出適合用新軟件控制舊檢定爐的PID參數，但控溫效果不太理想，控溫時間和升級前相比，沒有很大改觀，在 300 ℃、400 ℃和 600 ℃三個校準點檢定一爐（六支）熱電偶，需要時間在 4 h 以上，具體見表 1和圖1。

系統配套的恒溫槽主要用于檢定熱電阻和低溫熱電偶。恒溫槽升級后，解決了檢定熱電阻時，0 ℃精準控溫的問題。升級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，出廠時已根據所使用的介質調整了控溫參數，可實現（-10～120）℃范圍內的精準控溫。該恒溫槽從室溫降到0 ℃和從0 ℃升至100 ℃所需時間大約都是30 min，較之升級前，效率有了很大的提高[2]。

 

2 存在問題及解決方法

針對該系統校準熱電偶時控溫效果不理想的現狀，我們通過試驗進行分析，找出以下原因，并針對這些原因制定了解決方案。 2.1 硬件設備抗干擾能力弱HKL-600-60 型檢定爐從 2008 年投入使用至今，設備老化嚴重，在高溫檢定熱電偶時，產生的感應電會對標準熱電偶測量產生的直流毫伏信號造成干擾，從而影響其控溫效果。

 

針對這一現狀，對檢定爐進行了升級，采用與該系統軟件配套的泰安磐然測控科技有限公司生產的PR320A 型檢定爐，并將原 HP34401A 型數字萬用表升級為抗干擾能力更強的KEITHLEY 2010型數字萬用表，使系統的抗干擾能力得到提高，為縮短校準時間、提高校準效率提供了硬件基礎。 2.2 穩定參考端溫度由于熱電偶輸出電勢的大小與其兩端的溫度有關，其溫度-電勢關系曲線是在冷端（參考端）溫度為0 ℃時分度的，因此當冷端溫度不為0 ℃時，必須進行冷端溫度補償。

 

升級后的檢定（校準）系統可以選擇采用零點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量誤差很小，也減小了因冷端溫度波動而使數據采集受到的影響。但采用該補償方式操作相對復雜，且需要使用和熱電偶相配套的補償導線，經濟上也相對不劃算。因此，我們在日常校準工作中，更多地選擇另一種冷端補償方式：采用集成溫度傳感器AD590來測量參考端溫度并經行室溫補償。AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源，具有精度高、線性好等優點，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。由于AD590靈敏度高，能很靈敏地感應到冷端溫度的微小波動，因此對冷端溫度的穩定性要求較高。在試驗中，除了將檢定區單獨隔離，還另外用干凈的白布將AD590和標準熱電偶冷端、被檢熱電偶冷端罩在一起，創造一個更小的相對獨立空間，減小室溫變化對測量的影響。

 

2.3 優化PID控溫參數

ZRJ智能化熱工儀表檢定系統通過標準熱電偶、數字表以及掃描器，由軟件對檢定爐進行溫度控制。在實際的使用過程中，一般分為兩種情況，一種情況是在正常使用的狀態，另外一種情況是進行重復性測試的狀態。正常使用的情況是按照校準規范進行正常校準。我廠使用較多的是E分度熱電偶，根據其測溫上限和現場使用情況，我們一般校三個點：300 ℃、400 ℃和 600 ℃。為了達到最佳控溫效果，我們對這三個校準點的 PID參數進行優化，期望得到圖 2中的理想控溫曲線[3]。

該系統可以在升溫或恒溫過程中，通過選擇菜單“設置”中的“自整定”，程序將在溫度到達規定的溫度偏差時進入PID參數自整定過程，軟件通過對幾個波動周期的數值分析，自動計算出該點的 PID 參數，并自動記錄，自動設定為新的 PID 參數用于控制爐溫。用自整定方法可以比較快速地找出 PID 參數的大概范圍，但是只能滿足基本的控溫要求，不能精準調節，控溫效果不佳，效率低。

 

將幾種PID參數的整定方法進行比較后，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的控溫參數：運行熱電偶檢定（校準）程序，設定若干需要整定參數的校準點后，選中“設置”菜單中的“PID整定、禁止掃描”選項并通過“查看”菜單選擇顯示溫度曲線和功率曲線。待溫度升至各個校準點附近，功率曲線處在曲線坐標框內（下限無削波現象）時，通 過“恒溫設備控溫參數”菜單，將該校準點的積分時間（Ti）改為1 000.0，微分時間（Td）改為0.0，并將比例系數（P）適當減小，使控溫過程變為純比例調節。觀察功率曲線的變化，若功率曲線衰減，則進一步減小比例系數，若功率曲線發散，則適當增大比例系數，直到功率曲線出現4～5次等幅振蕩（幅度不要過大），記下此時的比例系數（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），按以下經驗公式計算出比例系數（P）、積分時間（Ti

）、微分時間（Td）：

P=1.7×Pk； Ti=0.7×Tk； Td=0.125×Tk

 

將計算出的P、Ti、Td三個參數輸入“檢定爐、油槽參數對話框”中對應欄中，取消“設置”菜單中的“PID整定、禁止掃描”選項，爐溫在新的PID參數調節下穩定并完成掃描測量后自動進入下一個校準點的參數整定。

 

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

該方法雖然需要耗費很多的時間來整定參數，但是整定出的 PID 參數精確，大幅提高了系統的檢定（校準）效率。 2.4 針對不同的檢定要求，采用不同的比例系數豐電公司現場使用的熱電偶大部分都是 E 分度的，所測量的溫度最高不超過600 ℃，因此，我們根據實際需要，選擇 300 ℃、400 ℃和 600 ℃三個校準點，其控溫參數和曲線如圖 3、圖 4 所示。對于在現場少量用到的K分度熱電偶，我們一般選擇400 ℃、600 ℃ 和800 ℃三個校準點，此時，圖4中的400 ℃溫度點的比例系數“6%”太小了，會造成該校準點的升溫時間大幅增加，我們將該參數調整為“9%”后，檢定K分度熱電偶的效率也得到了提高。

 

另外，做 600 ℃重復性試驗的時候，一般按要求做 10次。由于系統設置為溫度穩定在 600 ℃并達到數據采集條件后進行數據采集，數據采集結束后，待溫度降低50 ℃，再進行下一次升溫，此時如果仍采用正常校準時的PID控溫參數，顯然控溫效果會很不理想。我們通過試驗，得出：第一次重復性測試時，可用正常校準的PID參數進行控溫。第一次測試完成后，立即將 600 ℃的控溫比例系數（P）由“7.5%”改為“4%”，可獲得較好的控溫效果。 

 

3 實施效果

通過硬件升級提高系統的抗干擾能力，采用穩定參考端溫度的方法來減少測量的波動，優化PID控溫參數來達到精準控溫，三條對策實施后，大幅提高了ZRJ 智能化熱工儀表檢定系統的效率，將 300 ℃、400 ℃和600 ℃三個溫度點校準熱電偶的時間從原來

的四個多小時降到了現在的兩個小時左右。針對不同的校準點控溫以及做重復性試驗時的控溫，通過修改比例系數，也取得了很好的控溫效果，節省了時間，提高了系統檢定效率，間接提升了經濟效益。 

 

4 結語

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