陶瓷窯爐熱電偶提高測量精度方式

[摘要]文章陶瓷窯爐溫度測量的幾種方法以及當(dāng)前通常采用的溫控方式，通過對瓷廠動(dòng)力窯溫度的現(xiàn)場測試，陶瓷窯爐通用的S型熱電偶測量的正確性情況，提出了工業(yè)窯用熱電偶溯源的途徑和方法的幾點(diǎn)建議，為陶瓷企業(yè)窯用熱電偶測溫準(zhǔn)確性的評判提供了一種新的鑒定方法，幫助企業(yè)更好地了解和掌握窯爐運(yùn)行時(shí)溫控的實(shí)際狀況，以提高陶瓷窯爐的燒成質(zhì)量，減少不必要的能源浪費(fèi)，達(dá)到節(jié)能減碳的目的;同時(shí)也可有效地提升陶瓷行業(yè)高溫計(jì)量的正確。
引言
　　作為陶瓷產(chǎn)品的主要燒成設(shè)備，窯爐正常運(yùn)行時(shí)的工作溫度是一個(gè)很關(guān)鍵的熱工參數(shù)，也是影響陶瓷燒成質(zhì)量的重要因素:同時(shí)決定了窯爐系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性以及節(jié)能減碳目標(biāo)的大小，因?yàn)楦G爐溫度直接影響著燒成時(shí)間的長短和能源消耗的多少田。目前，陶瓷窯爐溫場的監(jiān)測方法大多采用熱電偶測溫與肉眼觀察窯內(nèi)火焰顏色和亮度來判斷火候(即溫度的高低)”。
　　陶瓷窯爐的溫控系統(tǒng)是非線性、純滯后的，而窯內(nèi)溫場的變化又是一個(gè)復(fù)雜的過程”。為了能夠及時(shí)、正確地掌握窯爐的運(yùn)行情況，需要測量窯溫等熱工參數(shù)，以對窯爐的溫度等動(dòng)態(tài)參數(shù)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測:同時(shí)也為窯爐監(jiān)控人員提供相應(yīng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)及燒成曲線等有關(guān)信息。因此，陶瓷窯爐溫度測量的準(zhǔn)確性一個(gè)極其重要的研究課題，它對于陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定控制、能源消耗的減少都有著舉足輕重的參考價(jià)值。
　　有關(guān)陶瓷窯爐熱工特性的影響因素的研究有很多，影響陶瓷燒制品質(zhì)量的陶瓷燒成溫度控制和窯內(nèi)溫場均勻性的也不少:但鮮少見到關(guān)于陶瓷窯爐溫度測量正確性方面的。且用于窯爐控溫的熱電偶測量結(jié)果的量值溯源對于節(jié)能減排的價(jià)值與意義相關(guān)的文獻(xiàn)資料就更少。
　　分析了當(dāng)前陶瓷窯爐的溫度監(jiān)測現(xiàn)狀，以生產(chǎn)酒瓶的氣燒動(dòng)力窯為例，通過用已溯源校準(zhǔn)的一級鉑佬10-鉑熱電偶對窯內(nèi)溫場進(jìn)行了現(xiàn)場測試，用于測量窯溫的S型熱電偶的準(zhǔn)確性對陶瓷窯爐燒成工藝控制的重要性，即制定更為合理的溫度曲線，可降低燒成溫度以減少能源的浪費(fèi)。同時(shí)，建議企業(yè)在定制陶瓷窯爐時(shí)，要求供應(yīng)商提供窯用熱電偶準(zhǔn)確度情況的溯源報(bào)告或其校準(zhǔn)證書;或可在每年檢修窯爐時(shí)，將其拆下送檢;并在必要時(shí)，測試方法進(jìn)行現(xiàn)場測量比對。
1陶瓷窯爐溫度測量
　　陶瓷窯爐對陶瓷產(chǎn)品的品質(zhì)起著決定性的作用，其燒成工藝中窯溫的控制關(guān)鍵，溫度的精準(zhǔn)控制直接影響了燒制品的質(zhì)量。顯然，控制溫度就是為了掌握陶瓷窯爐內(nèi)的溫度變化過程，以便根據(jù)燒成工藝要求實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這就需要對窯內(nèi)的溫度進(jìn)行測量。
1.1陶瓷窯爐溫度測量方法
　　肉眼觀火、吐痰入窯、鉤照子等都是傳統(tǒng)的了解窯爐溫度的方法。這些方法簡單實(shí)用，但也只有豐富經(jīng)驗(yàn)的燒窯師傅才能運(yùn)用它。隨著測溫技術(shù)的發(fā)展，而有了測溫錐、測溫環(huán)、測溫塊、熱電偶、光學(xué)高溫計(jì)、紅外測溫儀等現(xiàn)代的窯溫測量手段。
　　測溫錐是用陶瓷原料經(jīng)特定配方制成的三角錐，在一定的溫度下錐內(nèi)復(fù)相體系因重力作用而變形，不同的錐號對應(yīng)不同的溫度，從而可根據(jù)所用測溫錐的錐號來確定所測量的溫度。從觀火孔能夠肉眼看到的窯車上相應(yīng)的位置安放測溫錐，可在燒成過程中觀察測溫錐彎倒情況，從而確定錐倒時(shí)其所在窯內(nèi)位置的溫場溫度。
　　測溫環(huán)、測溫磚是由氧化鋁和其他陶瓷粉體經(jīng)壓制成型，與其他陶瓷坯體--起放置窯內(nèi)，隨著窯爐溫度的上升，產(chǎn)生體積收縮。出窯冷卻后，用千分尺測量測溫環(huán)的外徑、測溫磚的長度，再查相應(yīng)同批號的測溫環(huán)、測溫磚的對照表就可以知道燒結(jié)溫度。熱電偶的測溫原理是熱電效應(yīng)，測溫時(shí)可直接把溫度量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量，熱電偶因其輸出信號穩(wěn)定、熱電勢較高、線性較好、靈敏度高等特點(diǎn)，特別適用于溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制，已被廣泛應(yīng)用于一-200~2500℃的氣體、液體和蒸汽等介質(zhì)溫度的測量。
　　光學(xué)高溫計(jì)和紅外測溫儀都是基于普朗克輻射定律的非接觸式測溫原理進(jìn)行測溫的，并不會(huì)對被測對象的溫場分布造成影響，而被普遍用在熱電偶不適用或不能使用的情況下:兩者均可測量高溫，但前者是根據(jù)輻射亮度測溫，測量范圍為700--3200℃，后者是根據(jù)紅外線輻射測溫，從零下幾十?dāng)z氏度的低溫到3000℃的高溫均可測量。
1.2陶瓷窯爐溫度測量現(xiàn)狀
　　由上述陶瓷窯爐測溫方法對比可知，光學(xué)高溫計(jì)只能測量700℃以上的溫度，并且與測溫錐、測溫環(huán)、測溫塊一樣，不能實(shí)現(xiàn)溫度信號與電信號的轉(zhuǎn)化。而熱電偶可配以溫度二次儀表，將溫度信號實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為電信號，通過連續(xù)測溫來實(shí)現(xiàn)陶瓷窯爐溫度的自動(dòng)化監(jiān)控。因此陶瓷窯爐溫度測量使用較多的還是熱電偶。即用熱電偶作為傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)楹练盘栞斎氲饺斯ぶ悄苷{(diào)節(jié)器，由人工智能調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)置的燒成溫度曲線控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，進(jìn)而調(diào)節(jié)燃?xì)鈮毫韺?shí)現(xiàn)陶瓷窯爐溫度的自動(dòng)化控制。
　　目前，陶瓷間歇式窯爐工況監(jiān)測方式基本上是通過熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)控和測溫錐彎倒來判斷窯內(nèi)最低溫區(qū)是否達(dá)到最高燒成溫度的方法，其中自吸式引射梭式窯溫度控制大多因?yàn)橹辉诟G頂中心位置插入了一支熱電偶而還需要人工觀火，即司窯工通過觀察火焰的顏色變化，憑經(jīng)驗(yàn)來判斷火候，以了解窯爐內(nèi)陶瓷燒結(jié)狀況，從而調(diào)節(jié)燃?xì)獾拈y門數(shù)量來控制窯爐溫度，這是非自動(dòng)化控制的陶瓷梭式窯燒成狀態(tài)判斷的主要輔助方法。對于連續(xù)式陶瓷窯爐，其預(yù)熱帶、燒成帶、冷卻帶的每一節(jié)區(qū)都有熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)測溫，還會(huì)定期和有需要時(shí)使用測溫環(huán)/測溫塊來測量窯爐的最高燒成溫度。
2陶瓷窯爐測溫方法準(zhǔn)確性的對比分析
　　當(dāng)前，相對于其他窯溫測量方法來說，熱電偶與溫度二次儀表由于其性能穩(wěn)定，具有測量正確、測溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，還可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測控，而在陶瓷窯爐的測溫技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛。但熱電偶測溫僅僅是監(jiān)測其工作端所在位置于窯爐內(nèi)測溫點(diǎn)的溫度，而不能反映其所在溫場的溫度。
雖然光學(xué)高溫計(jì)的測量精度可達(dá)到1%,紅外測溫儀的精度高可達(dá)到0.1%。但由于窯爐運(yùn)行的實(shí)際環(huán)境條件的限制，光學(xué)高溫計(jì)和紅外測溫儀的可靠性和抗干擾性都不高，.故很少用于窯爐溫場的監(jiān)測，最多只是偶爾被用來進(jìn)行熱工測量。
　　根據(jù)需要，測溫錐、測溫環(huán)、測溫塊可擺放在窯內(nèi)的不同位置(測溫錐只用于擺放在間歇式窯內(nèi)，并可通過測溫孔觀察到的位置)，其與窯內(nèi)制品同時(shí)承受窯內(nèi)輻射熱、傳導(dǎo)熱過程，能反映燒制品在窯內(nèi)的受熱狀態(tài)，測定燒制品的最高燒成溫度:因此能簡易、方便地測定爐內(nèi)溫場三維空間中各測試點(diǎn)的最高溫度。它們只能測量窯內(nèi)空間某-點(diǎn)的最高溫，而不能進(jìn)行連續(xù)測溫。其中測溫錐的測溫精度較低，兩相鄰錐號之間溫差一般在20℃左右，一般用于非自動(dòng)化間歇式窯爐的最高燒成溫度的監(jiān)控。
3動(dòng)力窯溫度測量結(jié)果正確性的研究
　　隨著當(dāng)代測溫技術(shù)的進(jìn)步，測量儀器和測量系統(tǒng)性能的不斷提升，陶瓷窯爐的熱工控制對測溫儀器的精度、測量結(jié)果的正確度的要求也越來越高。無論是什么類型的陶瓷窯爐，用于窯內(nèi)溫度的監(jiān)測手段都少不了要在窯爐上安插熱電偶。而熱電偶的性能因使用的溫度不同而變化很大。因?yàn)闊犭娕冀z材料熔點(diǎn)高的在較低溫度下使用時(shí)，與熔點(diǎn)溫度不高的材料相比，它的計(jì)量性能不太理想。所以，長期插入陶瓷窯爐內(nèi)的工業(yè)熱電偶在實(shí)際工況下的測溫正確性值得關(guān)注。熱電偶是一種常見的接觸式溫度傳感器，其測溫元件連續(xù)使用一段時(shí)間之后，它的熱電特性可能會(huì)發(fā)生變化;倘若變化顯著，則會(huì)嚴(yán)重影響它的測溫正確性。
　　影響熱電偶測溫準(zhǔn)確度的因素有很多，如熱電偶絲的原材料純度、材質(zhì)的均勻性、加工應(yīng)力的消除與加工過程中的雜質(zhì)污染、熔鑄工藝過程中的熱平衡的維持，熱電偶絲是否退火充分，以及熱電偶的使用環(huán)境、條件等等，都會(huì)對熱電偶的熱電性能產(chǎn)生很大影響。工業(yè)熱電偶在使用過程中的測量穩(wěn)定性對陶瓷窯爐溫度監(jiān)控的影響很大，熱電偶絲的不均勻熱電勢也會(huì)影響熱電偶測溫精度復(fù)現(xiàn)性、穩(wěn)定性的控制,而且是熱電偶校準(zhǔn)過程中測量不確定度的主要來源之一。
　　動(dòng)力窯通常是采用多個(gè)高溫調(diào)速燒嘴的分區(qū)設(shè)置熱電偶測溫的自動(dòng)化監(jiān)控梭式窯。現(xiàn)階段因內(nèi)大部分陶瓷窯爐的窯溫控制主要是通過調(diào)節(jié)燒嘴燃?xì)饬縼韺?shí)現(xiàn)，并使用溫度傳感器一熱電偶來測量每個(gè)燒嘴附近的溫區(qū)的溫度。各溫區(qū)均由一臺單回路調(diào)節(jié)器帶動(dòng)執(zhí)行電機(jī)，通過調(diào)節(jié)燃?xì)?、助燃空氣?lián)動(dòng)閥門進(jìn)行控制。熱電偶測得的溫度，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，通過TCP/IP通訊進(jìn)入DCS寄存器中，根據(jù)反饋信號和燒成曲線設(shè)定值做比較，經(jīng)PID控制器處理后的輸出值傳給電磁閥，從而達(dá)到控制窯溫的目的。這樣將燒成曲線存入工控機(jī)中，窯內(nèi)各溫區(qū)的溫度就會(huì)按照給定的曲線自動(dòng)升溫或保溫。
3.1動(dòng)力窯溫度測量準(zhǔn)確性的現(xiàn)場測試
 
　　以某瓷廠燒制酒瓶的氣燒動(dòng)力窯為研究對象，對該窯幾個(gè)溫區(qū)的溫度進(jìn)行現(xiàn)場測試，并就其安插在窯內(nèi)相應(yīng)溫區(qū)的工業(yè)熱電偶的測溫準(zhǔn)確性進(jìn)行分析。
　　此窯容積為40m3,兩側(cè)窯墻共安插15只高速調(diào)溫?zé)欤?左右兩側(cè)各有7只、8只，每側(cè)燒嘴上、中、下三層交錯(cuò)呈品字形排布，兩側(cè)燒嘴也是交錯(cuò)排布，使得從兩側(cè)窯墻噴入窯內(nèi)的火焰不相撞，每只燒嘴對應(yīng)一溫區(qū)實(shí)行溫度自動(dòng)控制，在每個(gè)燒嘴對面的窯墻上安裝一支分度號為S的鉑佬-鉑熱電偶，用于測量其對應(yīng)溫區(qū)的溫度。
該動(dòng)力窯是通過窯爐控制系統(tǒng)設(shè)置熱工參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化燒成的，其分為15個(gè)溫區(qū)，共有15個(gè)溫度測量點(diǎn)，同時(shí)每個(gè)溫控區(qū)均配有電磁閥，司窯工也可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。
3.1.1現(xiàn)場測試方法
　　選用6支經(jīng)419.58~1084.88℃一等標(biāo)準(zhǔn)鉑佬10-鉑熱電偶(總不確定度δ=0.6℃，k=3)溯源校準(zhǔn)的0~1600℃一級鉑佬10-鉑熱電偶(允許示值誤差△=1C)插入動(dòng)力窯觀火孔測溫，采用補(bǔ)償導(dǎo)線和航空插頭與巡檢儀連接，通過巡檢儀的溫場自動(dòng)測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄各熱電偶測溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。
3.1.2測量結(jié)果對比
　　巡檢儀連接的6支--級鉑佬10-鉑熱電偶測量的溫度分別對應(yīng)的是工業(yè)窯用熱電偶所測窯內(nèi)1區(qū)、3區(qū)、4區(qū)、5區(qū)、6區(qū)、8區(qū)的溫度，將其測量結(jié)果與動(dòng)力窯控制系統(tǒng)顯示屏所示的相應(yīng)溫區(qū)的實(shí)際溫度進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者溫度量值相差較大。
3.2動(dòng)力窯溫度測量結(jié)果分析
　　現(xiàn)場測試時(shí)，從動(dòng)力窯觀火孔插入窯墻的熱電偶測量端深進(jìn)窯內(nèi)出墻壁4~5cm.觀火孔中心點(diǎn)與安裝在兩側(cè)窯墻上的控溫?zé)犭娕嫉膲γ婢嚯x為7~8cm，在燒成最高溫保溫21min的時(shí)段內(nèi)，檢測熱電偶與窯內(nèi)控溫?zé)犭娕嫉墓ぷ鞫怂帨貐^(qū)的測量空間約0.5dm范困內(nèi)的溫度，可視為均勻波動(dòng)，即其對兩者測量結(jié)果的影響在儀器準(zhǔn)確度等級所允許的測量誤差范圍內(nèi)可忽略不計(jì)。
　　據(jù)該廠有著二十多年燒窯經(jīng)驗(yàn)的司窯工介紹，企業(yè)一般只在每年春節(jié)前停窯檢修時(shí)，將發(fā)現(xiàn)有問題的窯用熱電偶拆下來，用萬用表測其電阻檢查通斷情況，如果壞了又修不了就直接更換，從未送去檢測技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。顯然,根據(jù)表中溫度測量結(jié)果的數(shù)據(jù)對比不難得出以下結(jié)論:.
1)從表中窯爐控制系統(tǒng)與巡檢儀顯示的溫區(qū)實(shí)測溫度在高火保溫時(shí)段內(nèi)“平均值”的“差值”來看，工業(yè)窯用熱電偶測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與溯源后符合要求的一級鉑佬10-鉑熱電偶的測量準(zhǔn)確性還是有明顯差距的，“差值”反映了現(xiàn)場測試所測溫區(qū)的溫度都存在著較大的正偏差或負(fù)偏差。
2)表中“最大值一最小值”的計(jì)算結(jié)果對比，可以看到工業(yè)窯用熱電偶與溯源熱電偶雖然都是同類型的溫度傳感器，但兩者給出窯爐溫場溫度變化信息時(shí)的靈敏度的差距:同時(shí)，從燒成過程中溫度測量的準(zhǔn)確性對窯爐燒成工藝控制的影響來看，還反映了工業(yè)窯用熱電偶的計(jì)量性能的差異。
4建議
1)陶瓷窯爐一-般都是定制的，定制時(shí)企業(yè)可要求供應(yīng)商提供工業(yè)窯用熱電偶準(zhǔn)確度情況的溯源報(bào)告或其校準(zhǔn)證書。
2)企業(yè)在每年檢修陶瓷窯爐時(shí)，可將其插入窯內(nèi)的工業(yè)熱電偶拆下來，送往具備檢測資質(zhì)的技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)溯源。
3)必要時(shí)，按本文測試方法進(jìn)行現(xiàn)場測量比對，以作修正。