基于智能仪表的温度测量装置研究与应用

朱 彬

（华能国际电力股份有限公司 上安电厂，河北 井陉 050310）

0 引言

以单片机作为主体的设备，将现代计算机技术和检测设备技术有机地融合，组成的智能仪表带来了仪表结构的重大改变。与其他传统仪表的各种常规测量电路进行比较，智能仪表在测量过程自动化、测量数据处理及功能多样化等方面，取得了长足的进步。智能仪表可以对仪表电路进行精简，同时带有变送输出、继电器控制输出、通信、数据保持等多种功能。智能仪表在工业现场实际应用方面，也是百家争鸣。如应用于锅炉汽包水位监视[1]、热泵远程监控系统、高温电阻炉温度区别跟踪测控系统等。

1 基于智能仪表的温度测量装置研究背景

华能国际电力股份有限公司上安电厂2号机组，于2006年3月完成了干排渣系统改造。改造完成后，干排渣系统正常运行时，运行人员需要根据钢带机温度来判断挤压头开启的数量和速度是否符合要求，以及炉膛内部是否发生掉焦等工况。钢带机温度共设计3处，分别为炉底温度、钢带机过渡段温度、钢带头部温度，均使用一体式温度变送器。其中，前两处温度主要用作监视，而钢带头部温度具有报警及联锁保护功能。当钢带头部温度高于150℃，触发炉底进风温度高报警；当钢带头部温度高于开钢带风门温度设定值时，联锁打开钢带风门；当钢带头部温度低于关钢带风门温度设定值时，联锁关闭钢带风门。

所以，钢带机头部温度测点一旦发生异常，影响钢带风门联锁动作，无法正常调节钢带头部温度。如果钢带头部温度持续升高，可能会烧损附近安装的料位开关等测量设备，导致钢带机、清扫链及斗提等设备联锁跳闸，进而联锁整个干排渣系统停运，锅炉产生的炉渣无法正常排出，严重时会发生限制电量负荷，甚至机组被迫停机等不安全事件。因此，这就要求钢带机温度测点设备具有较高的可靠性和稳定性，才能避免上述情况发生。

另外，由于钢带机运行时表面温度最高可达300℃，当挤压头全开干排渣系统满出力时，钢带头部温度甚至可达500℃。作为测量钢带机温度的温度变送器线路板、接线端子等部件长期在如此高的环境温度下运行，也容易造成设备加速老化、测量失准，甚至高温烧损等问题，增加了设备故障率、维护量及维护费用，不符合生产节能降耗的宗旨要求。针对以上问题，本文独辟蹊径，重新设计了基于智能仪表的温度测量装置，并成功应用于华能上安电厂2号机组钢带机温度信号的测量中，经过长时间运行取得了良好的效果。

2 基于智能仪表的温度测量装置设计方案

2.1 总体方案

根据现场环境要求选择耐高温、抗腐蚀的温度元件作为传感器，然后将传感器的测量信号输出至智能数显仪表，而智能数显仪表的安装位置则远离传感器所在的高温区域，传感器信号通过智能数显表内部运算输出4mA～20mA电流信号，再引入干排渣PLC控制系统的模拟量输入模件，在PLC控制器中完成逻辑运算，从而实现钢带机温度信号采集及联锁保护。这样设计既避免了智能测量仪表长期受到高温热辐射影响而老化、故障，同时还提升了钢带温度测量数据的准确性和可靠性，为整个系统安全运行赢得保障。

2.2 温度传感器的设计选型及安装

不同类型的温度传感器感温范围也不一样，目前应用广泛、造价低廉、测量效果较好的感温元件应属热电阻。其中，陶瓷铂热电阻测温范围广泛可达-250℃～850℃；云母铂热电阻，由于云母的特性，其测温范围是-200℃～420℃；薄膜铂热电阻，因为其封装及制造特性，其测温范围是-50℃～500℃[2]。为适应现场的生产环境，选择了测温范围较大的陶瓷铂热电阻。

两线制热电阻测量的线路电阻为热电阻的电阻值与连接导线的电阻值之和，连接导线的引线电阻大小与导线的材质和长度等因素有关。因此，两线制热电阻测量误差较大且不可避免。而三线制热电阻，在使用时有效消除了引起误差的引线电阻，提高了测量的精确性[3]。

根据上述内容，选择三线制Pt100陶瓷铂热电阻3只。测量现场安装孔径及钢带机内部温度场分布，将热电阻插入深度设定为150mm进行安装固定。

2.3 供电方式和接线的改变

原一体式温度变送器由PLC电源柜内24V电源供电，改进后的温度测量装置中热电阻由数显表供电。因此，需要在PLC端子柜内将3个钢带机温度测点，由PLC柜24V电源供电接线方式改为智能数显表向热电阻供电方式。

由于PLC控制系统模拟量输入子模件ACI03000只能接收4mA～20mA标准电流信号，无法接收热电阻微弱电流信号，因而需要通过智能数显仪表向PLC子模件发送4mA～20mA电流信号。原一体式温度变送器控制线经过端子排接至PLC柜端子A-B，与24V电源和模件串联构成测量回路，改进后的温度测量装置中需将热电阻控制线连接至数显表的RTD端子上，再由数显表的输出端接至PLC柜端子B-C，与PLC子模件串联构成测量供电回路。测量回路改进如图1所示。另外，出于消除4mA～20mA电流信号线路上的电磁干扰，以及防止智能数显表故障情况下220VAC电压串入PLC模件，对模拟量输入子模件造成损伤，可以在信号进入PLC端子柜前，在回路中接入信号隔离器。

2.4 数显表参数的设置

接通智能数显仪表电源，即可对数显表参数进行设定。输入信号选择：Pt100热电阻；小数点位数选择SL1=1；零点显示值：- 50；满点显示值：600；变送器输出类型：4mA～20mA；变送器输出零点：-50；变送器输出满点：600；校正输出零点：0；第一报警方式选择上限报警SL2=2；报警功能选择无报警延迟功能；报警上限PVH=150。数显表零点校对和增益校对后，精度高达±0.2℃，可以准确地在上位机显示钢带机温度。同时，当温度高于设定值时，仪表会闪烁报警，提醒巡检和维护人员关注，有利于及时发现和处理设备隐患。改造后的现场效果如图2所示。

2.5 改造后的应用及效益分析

图1 接线方式对比图Fig.1 Comparison of wiring modes

图2 智能数显表安装效果Fig.2 Installation effect of intelligent digital display meter

基于智能仪表的温度测量装置相比于常规温度变送器节约3000元/套，而且在使用中热电阻几乎无损伤。将智能数显表安装于控制柜内后，远离了就地高温环境，电子元器件损坏率大大降低，降低了备件消耗和人力维护成本，同时也为准确稳定测量钢带机温度数据提供了可靠保障。因此，采用耐高温、抗腐蚀的热电阻和智能仪表组合的温度测量装置，改造投资小、回报高，具有较高的借鉴意义和推广价值，达到了生产节能降耗、降本增效的改造目的。

3 结束语

温度变送器在电厂中应用十分广泛，但在高温、腐蚀气体等恶劣环境下，如何选择可靠性高、测量精度达到要求且维护手段简单方便、耗时少的测量装置一直是个难题。本文提供的热电阻和智能仪表相组合的温度测量装置改造思路，其测量范围可达-50℃～600℃，可以监视冬天机组停运时钢带机实际温度值。同时采用耐高温、抗腐蚀效果好的三线制热电阻，在保证测量精度，提高设备稳定性的同时，降低人力资源消耗及大量维护费用。

本文进行了智能仪表在干排渣系统钢带机温度方面的研究，这只是智能仪表应用的一方面，还有许多问题有待深入研究。由于智能仪表多功能性的特点，其在空压机故障诊断、锅炉磨组温度显示等方面，必将有更广泛的应用。