基于Pt100热电阻的窑轴瓦测温装置

基于Pt100热电阻的窑轴瓦测温装置

杨静

葛洲坝荆门水泥有限公司 湖北省荆门市 448000

摘要：在水泥干法自动化生产线上，温度.压力.流量等非电量是过程控制的重要依据，直接关系到产品产量和质量，也是生产线上主机设备的运行状态监测装置。过程信号采集设备大量使用非电量测量系统，将非电量转换为统一的4到20MA电流信号进入到DCS系统中，比如水泥生产线上的中低温温度测量大量采用Pt100热电阻，再经温度变送器或者温度巡检仪将温度信号转换为统一的4到20MA电流信号，最后到DCS处理。本装置为适应现场需要设计的改进型装置。

关键字：轴瓦 测温 热电阻

在我公司水泥生产线上，本人改进了窑轴瓦测温装置，温度传感器由端表面热电阻改进为装配式热电阻，测温回路中的温度巡检仪改为自行设计的采用XTR105芯片的独立温度变送器。本文就这套系统设计内容展开论述，水泥生产线上的旋窑是水泥厂最重要的热工设备，它的造价在千万元以上。它的性能和运转情况在很大程度上决定着熟料的产量质量和成本。它素有水泥厂心脏之称。托轮是回转窑的重要组成构件，要保证回转窑能够长期安全稳定地运转，从设备维护和正确使用方面来说，托轮的正常运转是重中之重的。托轮轴瓦温度可以反映拖轮的工作状态,托轮轴承座里装有一个Pt100热电阻，用于检测轴瓦的温度。见下图：

为啥选用Pt100热电阻，因为热电阻测温原理是导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化，热电材料一般采用纯金属材料，（普通半导体测温材料测温性能不如纯金属材料），热电阻金属材料要求是大而稳定的温度系数、电阻率大、物理尺寸小便于安装、响应时间短、在测量温度量程范围内具有化学物理性能稳定性好、材料可复制性好、电阻值随温度变化要有可操作性的数学关系理想为线性关系。工业上最常用的热电阻材料是铂和铜：铂电阻精度高，适用于中性和氧化性介质，稳定性好，具有一定的非线性，温度越高电阻变化率越小；铜电阻在测温范围内电阻值和温度呈线性关系，温度线数大，适用于无腐蚀介质，超过150易被氧化。铂电阻最常用分度号分别为Pt10、Pt100、Pt1000；铜电阻有R0=50Ω和R0=100Ω两种，它们的分度号为Cu50和Cu100。其中Pt100和Cu50的应用最为广泛。

水泥回转窑的轴瓦装置属于滑动轴承，滑动轴承主要应用于高速、高精度、重载、 强冲击、 安装受限、 经径向结构尺寸要求小、特殊工况工作条件等场合。比如窑筒体支撑。

回转窑的轴瓦简要说明如下，常用轴瓦在轴承中直接与轴颈接触，其结构是否合理对轴承的承载能力及使用寿命影响很大。在设计轴瓦结构时应考虑的主要问题是：要具有一定的强度和减摩性，定位要可靠，便于输送润滑剂，装拆及调整方便等。

常用的轴瓦分为整体式和剖分式两种结构。如下图a所示为整体式轴瓦（又称轴套），轴瓦上开有油孔和油沟，以便把润滑油导入整个摩擦表面。剖分式轴瓦分为上轴瓦和下轴瓦（如下图b），轴瓦两端有凸肩用作轴向定位，并能承受一定的轴向力。

为改善轴瓦的摩擦性能及节省贵重的合金材料，常在轴瓦的内表面浇注或轧制一层减摩材料（如轴承合金），称为轴承衬，其厚度在0.5~5mm范围内（如下图）。通常情况下，轴承合金衬层愈薄，其疲劳强度愈高。这种具有轴承衬的轴瓦结构又称为双金属轴瓦。为综合利用各种金属材料的特性，还可在轴承衬表面再镀上一层或多层薄薄的其它金属材料（如银、铟等），则称之为三金属轴瓦或多金属轴瓦。这类轴瓦比起单金属轴瓦，其减摩性、疲劳强度、跑合性和嵌藏性等方面都得到很大提高。

滑动轴承工作时，轴瓦和轴承衬与轴颈构成摩擦副，即使是液体摩擦轴承，在启动、停车、换向、载荷或转速变化时，也可能出现摩擦表面的直接接触。因此， 轴瓦的主要失效形式是磨损和烧瓦。在变载荷作用下，也会出现疲劳点蚀。所以 对轴瓦材料（轴瓦和轴承衬的材料统称轴瓦材料）的主要基本要求是： 有良好的减摩性、耐磨性、抗胶合性；良好的顺应性、嵌入性和跑合性；良好的 导热性、热稳定性；具有足够的强度；对润滑油有较强的吸附能力、耐腐蚀和便于加工等 。常用的轴瓦材料分为金属材料、粉末冶金材料和非金属材料。

水泥回转窑工作于慢速速极大重载，窑工作轴瓦结构为部分式，材料一般采用铜合金，有锡青铜、铝青铜和铅青铜三种。青铜的疲劳强度优于轴承合金，耐磨性与减磨性较好，能在较高温度下工作。但可塑性差，不易跑合，宜用于中速重载、中速中载及低速重载。

水泥回转窑瓦温一般控制在摄氏60度以内，在此值以上说明水泥回转窑瓦可能润滑不好，或者瓦与轴颈接触不好或移位，在摄氏60度以上持续走高温极有可能烧瓦。

前面水泥回转窑轴瓦的工作环境和安装空间决定了其最合适的测温元件是热电阻PT100，但使用和维护回转窑轴瓦测温系统发现了一些问题，原有旋窑托轮轴瓦温度计采用普通WZPM型端表面温度计（见下面外形图）

因为现场托轮处于密闭多油环境，温度计安装时必须紧贴轴瓦，才能准确反映轴瓦温度。在使用过程中，我们发现原有装置存在几个问题：1.安装拆卸麻烦，维护人员必须单手穿过托轮轴承盖上的巴掌大的检修门再用两手指伸入安装孔内才能装配普通端表面温度计。2.处于多油环境中，引线易腐蚀，老化快。3.引线从温度传感器根部引出，易被人为或重物从根部弄断，取出温度传感器更为麻烦。（可见下面安装示意图）

安装此类温度计，一点都不方便现场人员操作，手伸进轮带罩内，由于轮带罩遮住视线，空间狭小，完全凭借手感操作，整个安装过程费时又费力，一个温度计的安装时间要超过半小时以上，加之现场环境恶劣，现场人员要忍受窑筒体的高温辐射，托轮轴瓦润滑油的浸泡，由于托轮是一个旋转部件会对人员操作带来一定的安全风险，也有人员操作时若不小心或安全防范措施没做到位时可能会把工具掉入托轮油壶内可能损失托轮设备的操作风险。

  针对原有旋窑托轮轴瓦温度计以上缺点，改为一体化带有保护套管的装配式WZP温度计，温度计设计长度为半米（见温度计尺寸图）

上图接线盒在托轮轴盖外部方便维修人员直接接线。以前更换温度计要两小时，现只要最多五分钟。大大提高工作效率。而且改进后温度计引线不与油接触，又可延长温度计使用寿命。见改进后安装示意图：

下面为实际现场照相图片：                         

我公司回转窑轴瓦温度测量最初设计为中间回路采用四通道温度巡检仪，回转窑三个轮带其中每个轮带有四个轴瓦，这四个轴瓦每个都有一个PT100温度计再经四通道温度巡检仪处理选择一个最高温度值变送4到20MA电流到DCS.，初衷是为了节约电缆，生产实际中不能实时监测每个瓦温，在改变温度计类型时，我们同时铺设每个瓦温电缆废掉四通道温度巡检仪，自制温度变送器将每个瓦温温度值转换为统一的4到20MA电流到DCS.

温度变送器采用集成IC为XTR105,XTR105是ＢＢ公司生产的自带传感器激励源和内置线性化电路的４至２０ｍＡ转换集成块。具有7.5至36vdc的工作电压范围，外围电流接线可直接结成两线制，管脚较少，使用方便，精度高，稳定性好。

考虑到调试更换查找故障方便，我们采用温度计与变送器就近连接方式，XTR105的温度变送器电路设计如下：

XTR105 外围元件参数的选择

上图所示为两线制RTD温度变送器的基本电路 , 其中 4～20mA 输出电流与 RTD 温度之间的关系主要由元件 R Z 、RG 、RL IN 1 决定 , 这些参数的选择公式如下 ：

:

2R 1 (R 2 + R Z ) - 4 ( R 2R Z )

RG =——————————————————

R2 - R1

,

R L IN (R 2 - R 1 )

RL IN 1 =————————————

2 (2R 1 - R 2 - R Z )

式中 : R Z 是温度为 TM IN 时的 R TD 电阻值 ;

R 1是温度为 ( TM IN + TM A X ) / 2 时的R TD 电阻值 ;

R2 是温度为 TM A X时的 R TD 电阻值 ;

RL IN = 1kΩ

我们将温度变送器测温量程设计为0至150摄氏度，对照PT100分度表，取值如下：

R Z=100Ω

R2=157.33Ω

R1=128.67Ω

经过上面公式计算得出变送器上的元件阻值如下： 

RG =115.17Ω

RLIN =71.4Ω

这一套完整的窑托轮测温系统改造，从回转窑托轮轴瓦的工作环境分析，温度计的设计，温度变送器设计来满足现场需要，使用效果非常好，安装方便，维护简单，性能稳定，造价低廉，做到了回转窑托轮瓦温实时监控。满足了生产需要，达到了设计目的。

参考文献：作者：惠力《基于XTR105的气温传感器》《自动化与仪表》 2002年06期