淺談測(cè)溫元件干擾問題的處理

陳 煒

（甘肅祁連山水泥（集團(tuán)）股份有限公司，青海 西寧810021）

1 前言

水泥行業(yè)目前普遍采用DCS 分布式集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的適用性和較高的可靠性，通過軟件編程即可實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的監(jiān)測(cè)與控制，使水泥生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。由于來自水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表的信號(hào)，在傳輸中既有微弱到毫伏級(jí)、微安級(jí)的小信號(hào)，又有幾十伏，甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信號(hào)；既有低頻直流信號(hào)，也有高頻脈沖信號(hào)等等，構(gòu)成系統(tǒng)后往往發(fā)現(xiàn)在儀表和設(shè)備之間信號(hào)傳輸互相干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。如果來自現(xiàn)場(chǎng)的工藝參數(shù)測(cè)量信號(hào)在傳輸過程中混進(jìn)干擾信號(hào)，DCS 系統(tǒng)自身將很難抑制，需要在外部采取有效的措施給以解決。本文就簡(jiǎn)要介紹一下在使用K 分度熱電偶和Pt100熱電阻測(cè)溫過程中，遇到信號(hào)異常時(shí)的處理方法。

2 預(yù)熱器系統(tǒng)熱電偶測(cè)溫信號(hào)異常引起的故障處理

某公司二線水泥窯是一條5000T／D 的生產(chǎn)線。預(yù)熱器系統(tǒng)C1 氣體出口溫度和其他部位氣體出口溫度相繼發(fā)生過顯示異常的故障，其現(xiàn)象是中控室上位機(jī)上溫度顯示呈無規(guī)律跳躍，嚴(yán)重時(shí)經(jīng)常損壞現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器，在現(xiàn)場(chǎng)檢查測(cè)溫元件正常，在DCS 站中繼柜端子上使用DT－890C 型數(shù)字萬用表測(cè)得的毫安值與實(shí)際溫度均呈對(duì)應(yīng)關(guān)系。采取了更換熱電偶、將測(cè)溫信號(hào)傳輸電纜屏蔽接地、更換溫度變送器，更換隔離模塊以及更換DCS 信號(hào)信號(hào)通道等措施，均沒有效果。為了找到故障原因，在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過反復(fù)對(duì)比測(cè)試，發(fā)現(xiàn)儀表輸入端的一端（正端或負(fù)端）對(duì)地之間有幾十伏交流電壓信號(hào)。其中尤為突出的就是幾個(gè)C1 氣體出口溫度以及接近預(yù)熱器C1 氣體出口處的幾個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，經(jīng)過進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)距離C1 氣體出口溫度較近的設(shè)備是一臺(tái)入窯提升機(jī)，其電機(jī)是兩臺(tái)型號(hào)Y315S－4，功率為110kW 的大電機(jī)。每當(dāng)設(shè)備開啟時(shí)此處儀表干擾信號(hào)就比較明顯。新的問題出現(xiàn)了，同樣幾個(gè)C1 氣體出口溫度測(cè)溫點(diǎn)的干擾情況是不同的。其中原因之一可能是在投產(chǎn)初期，使用的瓷質(zhì)保護(hù)套管K 分度熱電偶。我們知道，絕緣材料在不同溫度時(shí)的電阻率（見表1）［1］是不同的。

通過觀察表1發(fā)現(xiàn)，這些材料在常溫時(shí)電阻是很高的，但隨著溫度升高，其絕緣性迅速降低。因此初步判斷在測(cè)溫信號(hào)中混進(jìn)了地電流干擾信號(hào)。

表1 絕緣材料在不同溫度時(shí)的電阻率

在高溫下，由于熱電偶絕緣材料絕緣性能逐漸降低，甚至成為良導(dǎo)體。當(dāng)附近大功率用電設(shè)備絕緣性能不良，對(duì)地就會(huì)有漏電流產(chǎn)生，使得不同點(diǎn)上存在不同的電位差，即共模干擾。此時(shí)如果偶絲與保護(hù)套管相接觸，熱電偶冷端由于與儀表外殼相連接，形成輸入回路中有兩個(gè)不同的接地點(diǎn)接地，這樣由于a 點(diǎn)和b 點(diǎn)電位不相等，就會(huì)出現(xiàn)干擾電流i 干，i 干流經(jīng)補(bǔ)償導(dǎo)線電阻R2，在R2 上的電壓降就會(huì)轉(zhuǎn)化成串模干擾電壓［2］，如圖1所示。

圖1 地電流引入的干擾

為了抑制共模干擾的發(fā)生，采取了如下處理方法。

（1）將預(yù)熱器上所有瓷質(zhì)保護(hù)套管熱電偶均更換成耐熱不銹鋼外殼熱電偶。

（2）改變信號(hào)源接地方式，由于從熱電偶到現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器的補(bǔ)償導(dǎo)線，沒有屏蔽層。因此在不改變儀表的情況下，采用了將熱電偶的工作端（熱端）引出一根金屬線接地，這樣對(duì)地干擾電壓將被短接。熱電偶對(duì)地的電位等于流過接地金屬線的電壓降。因?yàn)榻拥鼐€的電阻很小，所以熱電偶對(duì)地幾乎處于同一電位。這對(duì)于消除對(duì)地干擾效果很好。

采用上述方法后，消除了現(xiàn)場(chǎng)干擾信號(hào)，上位機(jī)上的溫度顯示變?yōu)檎?。同時(shí)再?zèng)]有發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器損壞現(xiàn)象。

3 生料磨主電機(jī)繞組溫度、煤磨排風(fēng)機(jī)繞組溫度、水泥磨主電機(jī)繞組溫度異常的處理

生料磨主電機(jī)繞組溫度、煤磨排風(fēng)機(jī)電機(jī)繞組溫度、兩臺(tái)水泥磨主電機(jī)繞組溫度，在生產(chǎn)初期時(shí)還比較穩(wěn)定，但經(jīng)過一段時(shí)期運(yùn)行后中控室上位機(jī)顯示溫度極不穩(wěn)定，經(jīng)常造成設(shè)備跳停。嚴(yán)重時(shí)相繼發(fā)生了燒壞多臺(tái)多路巡檢儀，甚至損壞DCS通道的現(xiàn)象。開始時(shí)懷疑是熱電阻的問題，更換過幾路備用通道熱電阻，但沒有作用，將測(cè)溫信號(hào)傳輸電纜屏蔽接地、更換隔離模塊，以及更換現(xiàn)場(chǎng)多路巡檢儀后，故障依然存在。用DT－890C 型數(shù)字萬用表（電壓表）跨接于儀表輸入的一端（正端或負(fù)端）與地之間測(cè)量，發(fā)現(xiàn)對(duì)地干擾電壓大約在幾伏到幾十伏的范圍內(nèi)快速變化?？紤]出現(xiàn)問題測(cè)溫點(diǎn)的一次元件均安裝在10kV 高壓大功率電機(jī)線圈繞組上。因此初步懷疑是電磁干擾信號(hào)造成的。也就是信號(hào)源與儀表之間的連線、儀表內(nèi)部的配線通過磁耦合在電路中形成的干擾。在工程中使用的大功率的變壓器、交流電機(jī)、高壓電網(wǎng)等周圍空間中都存在有很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，而儀表的閉合回路處在這種交變磁場(chǎng)中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，如圖2所示［3］。

圖2 交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

圖2中導(dǎo)線A 為干擾源，導(dǎo)線B 為信號(hào)線，導(dǎo)線B 對(duì)地電阻可以認(rèn)為是無限大，并在導(dǎo)線外包裹屏蔽層。屏蔽層不接地，因?yàn)槠帘螌优c干擾源之間存在分布電容，在導(dǎo)線B 的屏蔽層上就會(huì)感應(yīng)出電壓：

如果把屏蔽層接地，Vb＝0，導(dǎo)線B 上的電壓也減小到接近于零。因此在實(shí)際使用中，屏蔽層必須接地。若干擾源很強(qiáng)，甚至還要將熱電阻一根導(dǎo)線接地，以減小感應(yīng)電壓對(duì)信號(hào)的影響。

于是根據(jù)上述理論，采取了以下兩種措施。

（1）將每一組熱電阻Pt100 的B、b 端并聯(lián)后，在主電機(jī)端子接線盒內(nèi)與主電機(jī)外殼接在一起，將干擾信號(hào)引入大地。

（2）信號(hào)輸入時(shí)，由于外界干擾而耦合進(jìn)噪聲信號(hào)，如共模干擾、串模干擾等，采用隔離技術(shù)也是抑制干擾的有效手段。因此在采用了信號(hào)源接地技術(shù)的同時(shí)，將現(xiàn)場(chǎng)多路溫度巡檢儀更換成多路智能數(shù)字式溫度儀。兩者區(qū)別是，前者采用的是兩線制DC4～20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出到DCS 系統(tǒng)相應(yīng)的信號(hào)通道中，需要外部提供DC24V 信號(hào)電源，儀表內(nèi)部信號(hào)隔離能力較差，雖然此種電路優(yōu)點(diǎn)是傳輸DC4～20mA 信號(hào)的抗干擾能力較強(qiáng)，但是無法預(yù)防從熱電阻輸入端的干擾對(duì)溫度變送器信號(hào)的沖擊，這樣很有可能間接的影響到DCS 信號(hào)模塊。而后者則是通過儀表內(nèi)部提供的4－20MA 標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出到DCS 系統(tǒng)內(nèi)。不需外部DC24V 信號(hào)電源，且儀表的輸入、輸出采用光電耦合器，隔離性能很好，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，這樣就對(duì)DCS模塊起到了很好的保護(hù)作用。

經(jīng)過上述改進(jìn)后，解決了幾臺(tái)電機(jī)繞組溫度長(zhǎng)期存在的干擾問題。

4 窯頭電收塵進(jìn)口溫度異常的處理。

生產(chǎn)運(yùn)行過程中發(fā)生過窯頭電收塵進(jìn)口溫度變送器經(jīng)常損壞的故障，其現(xiàn)象表現(xiàn)為中控室上位機(jī)上溫度顯示值與現(xiàn)場(chǎng)安裝的溫度變送器顯示值溫度指示相符，但現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器已經(jīng)損壞，其溫度指示值不是顯示最大值，而是停留在溫度量程范圍內(nèi)的某一個(gè)值不再變化。更換一個(gè)新溫度變送器，用不了多長(zhǎng)時(shí)間同樣故障又會(huì)出現(xiàn)。為此試圖采取了更換熱電偶，將現(xiàn)場(chǎng)溫度變送器測(cè)溫輸出信號(hào)傳輸電纜屏蔽接地等方法，故障依舊存在。考慮到一次元件安裝地點(diǎn)在電收塵入口處，因此判斷是否受到高壓電場(chǎng)的影響造成的，在相對(duì)的兩物體中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于物體間的電容使另一物體的電位也會(huì)發(fā)生變化。干擾源就是通過電容性的耦合在回路中形成干擾的。它是兩電場(chǎng)相互作用的結(jié)果，如圖3所示［4］。

圖3（a）中，Cab 是兩導(dǎo)線之間的分布電容，Cad 是A 導(dǎo)線對(duì)地的分布電容，Cbd 是B 導(dǎo)線對(duì)地的分布電容，R 是輸入電路對(duì)地電阻。圖3（b）為等效電路，其中Vs 為信號(hào)的等效電壓。若ω 為信號(hào)電壓的角頻率，B 導(dǎo)線為受感線，當(dāng)不考慮Cad，且R 很小時(shí)，B 導(dǎo)線上由于耦合形成的對(duì)地噪聲電壓（有效值）Vb≈｜jωRCab｜Vs

這時(shí)Vb 正比于Cab、R 和信號(hào)幅值Vs，而且與信號(hào)電壓頻率ω 有關(guān)。因此，只要設(shè)法降低R 值就能減小耦合受感回路的噪聲電壓。從抗干擾考慮，降低輸入阻抗是有利的。

圖3 平行導(dǎo)線電容耦合

于是根據(jù)這一思路，采取了如下處理方法。

（1）將熱電偶的輸入端的負(fù)極或正極接地（即等電位屏蔽），這樣屏蔽層就與測(cè)量系統(tǒng)的電位相等，它們之間無電位差，就不會(huì)有漏電流出現(xiàn)。

（2）采取雙層屏蔽浮地保護(hù)。也就是在溫度變送器的外殼內(nèi)部再套一個(gè)內(nèi)屏蔽罩，內(nèi)屏蔽層引出一條導(dǎo)線與信號(hào)導(dǎo)線的屏蔽相連接，而信號(hào)源的屏蔽在信號(hào)源處一點(diǎn)接地，這樣使溫度變送器輸入的保護(hù)屏蔽及信號(hào)屏蔽對(duì)信號(hào)源穩(wěn)定起來，處于等電位狀態(tài)。大大提高了儀表抗干擾的能力。

經(jīng)過此種方式處理后，問題得到了解決，再也沒有出現(xiàn)類似的故障。

5 結(jié)束語

在工礦企業(yè)中電磁兼容是一個(gè)突出而重要的問題，自動(dòng)檢測(cè)所涉及的基本上都是弱電信號(hào)，在信號(hào)傳輸過程中極易受到電磁干擾。受工廠條件限制，不能對(duì)這些干擾進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，給抗干擾工作的解決帶來較大難度，在有條件許可情況下應(yīng)做到：一避免強(qiáng)磁場(chǎng)；二補(bǔ)償導(dǎo)線加屏蔽；三做好儀表接地工作；四動(dòng)力電纜與信號(hào)線分開布線保持距離。

［1］李吉林，王開道，張錦霞，蔡懷禮，俞倫鵬.溫度計(jì)量（第二版）［M］.北京：中國(guó)計(jì)量出版社.2006.

［2］陳榮保.工業(yè)自動(dòng)化儀表［M］.北京：中國(guó)電力出版社.2011.

［3］鞏明德.測(cè)試系統(tǒng)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2009.

［4］張 金.模擬信號(hào)與調(diào)理技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社.2012.