淺談接觸電阻對熱電阻溫度測量的影響及對策

石 瑋

(北京燕化股份有限公司生產(chǎn)運行保障中心,北京 102501)

1 問題的提出

某化工裝置聚合反應器由氣體及液體循環(huán)回路控制,反應器在66℃,2.2 MPa下操作,液體物料作為冷卻劑噴灑到反應器床層氣化后吸收聚合反應熱,通過控制液體的流量來控制恒定的聚合溫度。反應器的溫度控制器直接控制急冷液調(diào)節(jié)閥的閥位輸出,急冷液調(diào)節(jié)閥根據(jù)溫度測量值的變化,通過改變閥位控制加入該區(qū)域的急冷液流量來穩(wěn)定溫度,采用Pt100電阻體測量工藝流程如圖1所示。工藝生產(chǎn)反應器溫度過低聚合不反應,過高容易爆聚,溫度控制對產(chǎn)品質(zhì)量和裝置安全生產(chǎn)非常關鍵,因此,工藝溫度控制要求誤差在±1℃之內(nèi)。催化劑加入量大小是控制反應速度的重要指標,從聚合反應機理來講,溫度升高會導致催化劑性能的衰減,溫度過低又不反應,若大量加入催化劑,一旦到達反應條件(溫度),會劇烈反應,易造成反應器溫度控制失控,反應器爆聚的可怕結(jié)局。催化劑價格極其昂貴,因此,精確的溫度測量對裝置很重要。

裝置開車以來,反應器溫度不定期出現(xiàn)指示波動,大多數(shù)是指示緩慢或快速升高5～10℃,儀表故障檢查未發(fā)現(xiàn)因震動造成電阻體瞬間斷裂或接線端子松動、溫度指示回路開路(IOP)故障。查看DCS趨勢記錄,溫度升高是在幾分鐘或十幾分鐘持續(xù)增加的,其他相關測量儀表也未發(fā)現(xiàn)異常情況,溫度測量回路如圖2所示。

但重新接線緊固、更換智能溫度轉(zhuǎn)化安全柵后溫度指示正常。初步認為機柜室安全柵安裝密集,散熱不好造成安全柵工作異常,DCS指示溫度高的假象。在安全柵安裝機柜排風扇,但該現(xiàn)象仍不定期出現(xiàn),到底是控制不穩(wěn)還是溫度測量波動無明確結(jié)論,給裝置平穩(wěn)生產(chǎn)帶來困惑和不安。

圖1 工藝流程簡單結(jié)構(gòu)

2 原因分析

2.1 從故障處理過程分析

因測溫回路無過多元件,通過更換智能溫度安全柵、緊固現(xiàn)場接線端子,儀表恢復正常使用。儀表人員在故障檢查過程中詳細記錄如下數(shù)據(jù):第一次先在安全柵輸入端測量阻值、再測量現(xiàn)場阻值,現(xiàn)場和機柜室采用3×1.5 mm2電纜,連接距離330 m,兩根線路電阻正常值7Ω;第二次先測量現(xiàn)場阻值,再測量安全柵輸入端阻值;第三次先在安全柵輸入端測量阻值,再測量現(xiàn)場阻值,結(jié)果見表1所列。

圖2 溫度測量儀表雙線回路示意

表1 三次測量數(shù)據(jù)

對更換下來的安全柵測試,發(fā)現(xiàn)部分安全柵并無問題仍可以在其他回路繼續(xù)使用,認為智能溫度安全柵造成溫度波動概率較小。但多次故障測量線路電阻值不定,在7～11Ω之間波動。最大一次為13Ω,斷定線路接觸電阻是造成溫度波動的重要原因。

2.2 從熱電阻測量溫度原理分析

電阻溫度計是基于金屬導體或半導體電阻值與本身溫度差成一定函數(shù)關系的原理實現(xiàn)溫度測量的,即金屬導體或半導體的電阻-溫度函數(shù)關系一旦確定后,就可以通過測量置于測溫對象之中并與測溫對象達到熱平衡的熱電阻的阻值而求得對象的溫度,一般適用于-200～500℃。金屬導體或半導體的電阻與溫度關系可表示為:

式中 Rt——溫度為 t時刻的電阻值;Rt0——溫度為t0時刻的電阻值;α——電阻溫度系數(shù),即溫度每升高1℃時的電阻相對變化量;t—感溫元件實際測量溫度;t0—感溫元件初始溫度。

測溫儀表是通過測溫元件的電阻值變化來檢測溫度的,所以引線電阻值的大小、引線電阻的變化(受溫度影響)及信號回路的干擾直接影響其測量精度,因此必須采取措施來消除引線電阻及干擾所引起的誤差,提高測量精度。

熱電阻的接線方法有兩線制、三線制、四線制方式。兩線制不能消除因引線電阻的變化所引起的測量誤差,一般不用;三線制在配合電橋電路測溫時,可以減小或消除因引線電阻變化所引起的測溫誤差,應用比較廣泛;四線制通常用于標準鉑電阻,用于配合電位差計測量電阻時,消除引線電阻的影響,在高精度測量場合使用。采用三線制是為了消除連接導線電阻引起的測量誤差,這是因為測量熱電阻的電路一般是不平衡電橋。熱電阻作為電橋的一個橋臂電阻,其連接導線(從熱電阻到中控室)也成為橋臂電阻的一部分,這一部分電阻是未知的且隨環(huán)境溫度變化,造成測量誤差。采用三線制,將導線一根接到電橋的電源端,其余兩根分別接到熱電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上,這樣消除了導線線路電阻r帶來的測量誤差,如圖3所示。

圖3 三線制電阻體接線示意

當電橋平衡時,(R3+r)R1=(Rt+r)R2。因此,只有在R1=R2的情況下,r對熱電阻的測量會毫無影響。當采用不平衡電橋與熱電阻測量溫度時,雖不能消除導線電阻影響,但三線制已大大減少了誤差,完全可以滿足測量需求。

鉑熱電阻的使用雖然簡單,但切不可想當然的在終端把兩線并三線接入巡檢儀或者別的測量儀表,一定要從Pt100傳感器三線接出,并三線接入終端儀表,否則必然存在溫度虛高。測溫電阻Rt的大小直接決定了溫度的測量值,由于接線接觸不緊密,或接線端子氧化處理不好,假想 r不一致,造成R1回路的接觸電阻增大2Ω左右,計算溫度會高出5.19℃。因此,無論三線制還是四線制,導線都必須從熱電阻感溫體的根部引出,盡量減少中間接點,否則仍會有影響。

該裝置反應器溫度檢測采用了三線制接法。在實際故障處理時,在安全柵輸入端測量電阻值并不完全等于實際溫度的電阻值和線路電阻值之和,在重新接線后,溫度恢復正常,說明基于某種原因(震動、氧化等)造成接線端產(chǎn)生接觸電阻影響了實際測量值,是溫度測量波動主要原因。從實際故障處理分析,測量回路在現(xiàn)場電阻體接線、現(xiàn)場接線箱、機柜室端子排、安全柵插拔接頭均可能產(chǎn)生接觸電阻。大量智能儀表集中安裝存在一定隱患也是造成溫度波動的輔助因素。

2.3 從生產(chǎn)控制方面分析

查看工藝記錄,除幾次明顯工藝控制不穩(wěn)造成溫度升高外,多數(shù)情況下催化劑加入量無明顯變化,反應器急冷液、循環(huán)氣加入量變化不大,反應器壓力、料位控制無明顯升高,生產(chǎn)控制不穩(wěn)造成溫度波動概率不高。

3 技術改進及效果

以上分析造成測量不準主要原因:測量回路現(xiàn)場電阻體端子到控制室安全柵端子之間接觸電阻過大,線路電阻不穩(wěn)定;智能溫度安全柵安裝過于緊湊不易散熱容易造成輸出異常。

儀表人員利用裝置停車檢修機會對測量回路進行了改造如圖4所示:a)把現(xiàn)場到控制室的傳輸信號由原阻值信號改為4～20 mA DC傳輸; b)安全柵改為模擬量輸入柵;c)現(xiàn)場電阻體端子盒內(nèi)加裝248HART溫變,保證了連接導線都從熱電阻感溫體的根部引出,直接接入橋路,有效消除偏差,投用改造后裝置運行平穩(wěn),得到了工藝人員的認可。

圖4 改進后溫度測量儀表雙線回路

4 結(jié)束語

從該裝置反應器溫度波動原因看,接觸電阻對溫度影響較大,特別像聚合反應器溫度控制范圍要求非常高的情況下,要使溫度符合±1℃標準,接觸電阻就必須足夠小,電阻體等級必須選用A級(-200～650 ℃時允許誤差 ±(0.15+ 0.002︱t︱)),采用一體化溫度測量在反應器溫度測量上有效解決了線路接觸電阻對測量的影響。由于熱電阻測量回路有可能穿越強磁場、電纜層,其附近的電力電纜和控制電纜將對信號線感應而產(chǎn)生干擾,因此,測量回路一定要保證良好的屏蔽。熱電阻的電阻溫度關系和統(tǒng)一的分度表存在差值,這個差值的大小不能超過所規(guī)定的范圍。所以在熱電阻使用之前必須進行檢驗,投入使用后也要定期進行校驗。此外,對于其他儀表回路端子接觸電阻問題也要高度重視,避免造成接觸電阻過大。比如:閥門定位器輸入接線電阻大,會造成調(diào)節(jié)閥不能達到控制開度;聯(lián)鎖控制負載回路阻抗過大,造成電磁閥不能正常工作,關鍵控制閥不動作。因此,除保持儀表接線端子緊固,接線箱溫度、濕度適宜,密封良好,控制回路也要減少中間接線。

溫度測量使用一體化變送器,既能提高測量穩(wěn)定性,又在儀表信號線方面節(jié)省1/3資源,降低了成本。

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