溫度測量及控制在加熱系統(tǒng)中應(yīng)用及選型

1、溫度測量控制在加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用摘要：本文論述溫度測量與控制系統(tǒng)組成、應(yīng)用及各組成部分選型。關(guān)鍵詞：溫度測量 加熱系統(tǒng) 應(yīng)用1概述溫度測量控制的應(yīng)用涉及了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)溫度測量控制在工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所占比例達(dá)到50%以上，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制理論、電子技術(shù)、電 力電子和計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)及可控硅等電力電子發(fā)展在溫度測量控制中被廣泛應(yīng)用。同時，溫 度測量控制系統(tǒng)能有效地利用和節(jié)約能源。因此了解掌握好溫度測量控制系統(tǒng)的方法，正確 地選型使用好各類溫度測量控制系統(tǒng)就顯得十分重要。2溫度測量控制系統(tǒng)溫度測量控制系統(tǒng)主要由傳感器（熱電偶X顯示調(diào)節(jié)儀表（二次儀表）輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu) 三大部

2、分組成如圖1所示。顯神節(jié)儀表1SSSB1h1 I3SS.01超浪斷器加M或WV 圖1溫度測量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2. 1傳感器傳感器（熱電偶、熱電阻）是溫度測量中最常用的溫度檢測元件。其主要作用是將生產(chǎn)過程中的溫度變化信號轉(zhuǎn)化為電壓、電流、電阻、頻率等信號，傳遞到2次儀表，是控制系 統(tǒng)的檢測部分。2. 2溫度顯示調(diào)節(jié)儀表溫度顯示調(diào)節(jié)儀表其主要作用是將現(xiàn)場傳感器傳遞來的信號進(jìn)行干擾濾除、放大，非線 性校正等處理后，盡可能精確、直觀地將信號還原成物理量溫度。同時根據(jù)要求將現(xiàn)場 信號值與給定值進(jìn)行比較和運(yùn)算處理后，輸出相應(yīng)的電流、電壓，驅(qū)動脈沖、觸點(diǎn)切換或調(diào) 節(jié)等控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu),是控制系統(tǒng)顯示調(diào)節(jié)

3、部分。3執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要作用是對量對象中的溫度參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，主要由繼電器、可控硅、固態(tài) 繼電器、電磁閥及電動閥門等執(zhí)行器件執(zhí)行對負(fù)載的調(diào)制。是控制系統(tǒng)輸出執(zhí)行部分。溫度自動控制系統(tǒng)原理通常溫度控制系統(tǒng)主要由調(diào)節(jié)對象、檢測裝置、調(diào)節(jié)儀和執(zhí)行器組成。如圖2所示，是一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)溫度給定值S與檢測裝置（傳感器）測量輸出值Z比較后，其偏差 值e信號送入溫度調(diào)節(jié)器、放大、運(yùn)算等處理后，轉(zhuǎn)換成驅(qū)動信號p值驅(qū)動執(zhí)行器，由執(zhí)行 器輸出調(diào)節(jié)參數(shù)g，同時調(diào)節(jié)與干擾值f矢量疊加后，給出實(shí)時被調(diào)溫度再通過檢測裝置（傳 感器）形成反饋的閉環(huán)系統(tǒng)圖2溫度自動控制系統(tǒng)原理框圖4傳感器的選擇與應(yīng)用傳感器（熱電偶

4、、熱電阻）在溫度測量系統(tǒng)中，由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、 測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，因此能被廣泛采用。選用傳感器時要考慮到測量范圍、測 量精度及溫度分布、工作使用環(huán)境，然后根據(jù)以上情況選用熱電偶型號、分度號、以及熱電 偶外形結(jié)構(gòu)。4.1熱電偶（熱電阻）的選擇2根據(jù)熱電偶和溫度場所的特性正確選用熱電偶、熱電阻根據(jù)溫度控制系統(tǒng)使用場合合理選用熱電偶可以提高熱電偶的壽命和保證測量精度，亦可降 低成本。（1）快速熱電偶（高溫計(jì)）。主要運(yùn)用于鋼鐵熔煉過程中溫度瞬間測量，精度高、反應(yīng)快、 結(jié)構(gòu)輕巧，一般測溫范圍4002000C，測量誤差通常16C以下。（2）耐腐蝕熱電偶。耐腐蝕熱電偶用于除熔融

5、硝金屬，三氟化氯及元素氟以外的強(qiáng)酸、 強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑等各種腐蝕介質(zhì)的測量，在使用中應(yīng)采用特制玻璃密封成包氟保護(hù)管傳感器。（3）防爆工業(yè)熱電偶.防爆熱電偶主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場存在碳?xì)浠衔锏缺ㄐ曰旌系拿?炭、石油、化工、冶金等部門用來測量-200+900C內(nèi)液體、氣體和蒸氣介質(zhì)的溫度。（4）鎧裝熱電偶。鎧裝熱電偶是一種較常用溫度檢測元件，具有反應(yīng)時間快、堅(jiān)固耐用 等特點(diǎn)。（5）鉑熱、銅熱熱電阻傳感器穩(wěn)定性能好、測量精度高、輸出靈敏度較熱電偶高，但測 量上限溫度低、機(jī)械強(qiáng)度差、抗震能力低，一般使用測量溫度V200 C場合，而且不必采用 補(bǔ)償導(dǎo)線即可加長熱電阻傳感器輸出線，適合較遠(yuǎn)距離測量控制。（6）

6、在氧化惰性氣氛中適宜用S型鉑銠10錯熱電偶。在惰性還原氣氛，真空氧化物 氣氛中適宜用K型鎳金各一一鎳硅熱電偶。3根據(jù)熱電偶的時間常數(shù)和溫度場所的惰性選用熱電偶由于慣性的存在，任何儀器都不會立即對周圍介質(zhì)的變化發(fā)生響應(yīng)，這就是測量滯后， 熱電偶的滯后是用它的時間常數(shù)來表征。當(dāng)用時間常數(shù)大的熱電偶測溫或控溫時，儀表顯示 溫度雖然波動很小，但實(shí)際溫度波動可能很大。為了準(zhǔn)確獲得測量溫度，應(yīng)當(dāng)選用時間常數(shù) （符號）小的熱電偶。熱電偶的時間常數(shù)與傳熱系數(shù)成反比，與熱端的直徑材料的比重及比 熱成正比。盡量采用導(dǎo)熱性能好的材料、管壁薄、內(nèi)徑小的保護(hù)套。4.2熱電偶（熱電阻）的安裝（1）安裝位置。熱電偶安裝位置

7、（工作偶）應(yīng)盡可能反映出溫度場內(nèi)代表性，不能安裝 在溫度場死角及靠近熱源太近位置。（2）熱電偶置入深度。熱電偶最小置入溫度一般應(yīng)不小于熱電偶保護(hù)管外徑810倍， 還要保證冷端環(huán)境溫度穩(wěn)定且不超100C。（3）熱電偶引線敷設(shè)。熱電偶的安裝位置應(yīng)避開強(qiáng)磁場和電場，熱電偶測量線和電力線、 控制線同一走線管內(nèi)，不應(yīng)平行敷設(shè)。（4）安裝方向。在小直徑管道中安裝時，工作端一般迎著熱流方向，在大直徑中管道安裝時熱電偶應(yīng)垂直管壁。5溫度顯示調(diào)節(jié)儀表選擇與應(yīng)用5. 1溫度顯示調(diào)節(jié)儀表選用5.1.1系統(tǒng)安全可靠性我們在設(shè)計(jì)處理高等級的溫度測量控制系統(tǒng)時，應(yīng)將系統(tǒng)安全可靠放在首位。如在設(shè) 計(jì)一套加熱溫度為450C4

8、80C鋁模鐵氟龍熱處理爐時，考慮到溫控系統(tǒng)超過600后會造 成設(shè)備及處理工件損壞，在設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)時，應(yīng)選用滿量程為不超過600C溫度控制儀， 同時溫度調(diào)節(jié)儀應(yīng)具有上限3480C超溫報(bào)警功能，必要時再設(shè)置一套超限600 C斷路器獨(dú) 立系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)安全性及可靠性。5.1.2系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)適用性在選擇溫度控制系統(tǒng)中，充分了解生產(chǎn)工藝對溫度測量控制要求及生產(chǎn)工況條件后綜合 考慮性價比。如某一加熱系統(tǒng)允許目標(biāo)溫度250C+5C誤差，那么在選擇溫度儀表上我們 可以采用二位式溫度調(diào)節(jié)儀表，其具有可靠性高、成本低的特點(diǎn)，如果允許在600C3 4。目標(biāo)溫度，雖然為了提高控溫精度，可采用可控硅連續(xù)控制或固態(tài)繼電

9、器過零控制等來 提高精度，但半導(dǎo)體元件抗瞬間峰壓，負(fù)載短路等能力仍無法和傳統(tǒng)電磁繼電器相比，因此 在允許34C誤差范圍內(nèi)加熱系統(tǒng)可選擇二位、三位式或比例式控制即可滿足要求。如果 系統(tǒng)要求500C1.5。目標(biāo)溫度，那么可考慮選擇三位半（0.5級精度）具有可硅或固態(tài)繼 電器過零或移相觸發(fā)連續(xù)PID自整定溫度調(diào)節(jié)儀即可滿足要求.5.1.3儀表量程與被測目標(biāo)溫度相近性儀表的允許誤差（精度等級）直接影響測溫結(jié)果的準(zhǔn)確度，但同一精度等級，不同量程 儀表允許產(chǎn)生測量誤差值是不一樣，所以在選擇儀表時，應(yīng)盡量使儀表的實(shí)際輸入量程在滿 量程的3/4左右為佳。5.2溫度顯示儀的應(yīng)用溫度顯示儀可為二位、三位式調(diào)節(jié)儀表

10、及PID調(diào)節(jié)儀表5.2.1二位式溫度測量控制儀二位溫度調(diào)節(jié)儀在初始加熱階段，由于被控對象及加熱源的慣性作用，在已經(jīng)切斷加熱 源情況下，爐體溫度還會繼續(xù)上升（具體與系統(tǒng)熱慣性有關(guān)），因此在冷態(tài)加熱前，應(yīng)先將 設(shè)定溫度設(shè)置在目標(biāo)溫度值90%左右，待經(jīng)過13個加熱周期后，再將設(shè)置值設(shè)置在所需 目標(biāo)溫度值上，以避免開機(jī)產(chǎn)生溫度過沖（這段應(yīng)是表達(dá)濕度測量儀的設(shè)置值如何設(shè)定。） 5.2.2三位式溫度測量控制儀三位式溫度調(diào)節(jié)儀就是為了克服二位式調(diào)節(jié)儀容易產(chǎn)生升溫速度與溫度過沖量（超調(diào)） 之間的矛盾而發(fā)展一種調(diào)節(jié)方式，三位式調(diào)節(jié)可以利用內(nèi)部兩個繼電器輸出組成升溫加熱” （即全功率加熱）、“恒溫調(diào)節(jié)”（部分功率

11、保溫加熱）及“停止加熱”三種狀態(tài)，即采用主 輔2組加熱器，在升溫階段A、B組同時加熱，升溫速度快，當(dāng)加熱到臨近目標(biāo)溫度時（稱 之下限值，可人工設(shè)定），將輔助加熱切斷，保留主加熱器逐步加熱至目標(biāo)溫度。一般設(shè)計(jì) 系統(tǒng)時，輔助加熱器加熱能量為總能量30%50%左右，具體應(yīng)視系統(tǒng)組成及工況進(jìn)行調(diào) 整確定（這里同上）5.2.3 PID控制的溫度測量控制儀參數(shù)調(diào)節(jié)方法及選取PID是比例（P）、積分（I）、微分（D）的溫度調(diào)節(jié)儀的調(diào)節(jié)方法簡稱。絕大多數(shù)溫度調(diào) 節(jié)儀PID參數(shù)即可自整定，亦可人工手動調(diào)整。其調(diào)節(jié)原理是根據(jù)輸入值與設(shè)定值之間偏差大小，在比例調(diào)節(jié)后，對偏差信號進(jìn)行反饋處理，時間越長，積分調(diào)節(jié)越明顯

12、，直至靜差消 除，微分調(diào)節(jié)為積分調(diào)節(jié)的反調(diào)節(jié)，是為了使系統(tǒng)能盡快穩(wěn)定，因此PID調(diào)節(jié)是精度較高調(diào) 節(jié)方式，在大多數(shù)場合下選擇P=5%，I=210s, D=30s，一般就能達(dá)到理想的調(diào)節(jié)效果。亦可用下圖來表示如圖1、圖2、圖3、圖4所示（也是表達(dá)如何設(shè)定理想的值。）如有下圖的情況，請減少P如有下圖的情況，請減少P的設(shè)定值如有下圖的情況，請減少P的設(shè)定值圖1 PID為多少的狀態(tài)圖1 PID為多少的狀態(tài)圖2如有下圖的情況，請?jiān)黾覫如有下圖的情況，請?jiān)黾覫或P的設(shè)定值如有下圖的情況，請減少D的設(shè)定值理想PID控制理想PID控制圖3圖4-6執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選用在溫度控制系統(tǒng)組成中，作為承擔(dān)執(zhí)行任務(wù)的機(jī)構(gòu)由，中

13、間繼電器、交流接觸器、電力 電子（可控硅、雙向可控硅、固態(tài)繼電器等）組成，所控制的對象，一般為電加熱器、蒸汽、 熱水等。一般工作在大電流、高電壓及開啟和關(guān)閉動作頻繁，工作環(huán)境中塵埃多，散熱困難等是 系統(tǒng)可靠性中最薄弱的環(huán)節(jié)，因此在選用時應(yīng)根據(jù)以下特點(diǎn)進(jìn)行選配使用。6.1交流接觸器選配對于溫度控制系統(tǒng)要求不高的，為了提高性價比，可以選用交流接觸器。由于二次調(diào)節(jié) 溫度表內(nèi)部輸出繼電器、觸點(diǎn)額定電流為5A以下，若要驅(qū)動1KW以上負(fù)載或三相負(fù)載就必 須由儀表內(nèi)繼電器來控制交流接觸器。以實(shí)現(xiàn)對大電流、高電壓的控制，一般情況下建議可 根據(jù)實(shí)際負(fù)載電流的1.5倍左右來選擇交流接觸器的額定電流，以利提高系統(tǒng)可

14、靠性及延長 使用壽命，同時可根據(jù)系統(tǒng)控制精度，合理設(shè)置儀表的“回差”（即誤差帶一般在0.05 0.5 %FS）參數(shù)，避免交流接觸器頻繁工作，影響使用壽命。6.2可控硅選配對于要求自動控制系統(tǒng)精度高的各種場合，常采用電子溫度調(diào)節(jié)器附配一套過零或移相 觸發(fā)控制器來實(shí)現(xiàn)對可控硅的觸發(fā)控制，用以改變輸出波形有效值，而改變加熱功率或改變 單位時間內(nèi)的平均加熱功率，來實(shí)現(xiàn)溫度控制?？煽毓柙譃閱蜗蚩煽毓韬碗p向可控硅。用于阻性電加熱系統(tǒng)中，從成本、可靠性和 安裝方便性考慮，可采用雙向可控硅，可控硅的耐壓必須為供電電壓2.5倍以上（以AC200V 電壓為例，則應(yīng)選耐壓3600V?？煽毓桀~定電流必須是使用電流

15、的1.5倍以上。同時可控硅 配用足夠大的散熱器，保證良好散熱通風(fēng)條件。若必要時，可采用水冷循環(huán)式散熱，以確保 可控硅在任何情況下的溫度不超過100C。為了防止負(fù)載短路而損壞可控硅，應(yīng)在負(fù)載相線 輸入端安裝專用的快速熔斷器保護(hù)。為了防止可控硅瞬間過電壓，可在可控硅的陽極和陰極 兩端并入電阻R=1.5u，電容C=1.5uf，耐壓為630V的阻容吸收電路。6.3固態(tài)繼電器選配固態(tài)繼電器（SSR）是一種用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置并具有繼電器特性 的無觸點(diǎn)開關(guān)器件。具有工作可靠、壽命長、無噪音、無火花、無電磁干擾、開關(guān)速度快、 抗干擾能力強(qiáng)且體積小、耐沖擊、防爆等優(yōu)點(diǎn)，能以微小控制信號實(shí)現(xiàn)直

16、接驅(qū)動大電流負(fù)載。 但是，存在通態(tài)壓降及斷態(tài)漏電流等不足。目前已用電加熱控制系統(tǒng)及工業(yè)自動化等領(lǐng)域， 已有逐步廣泛取代繼電器及交流接觸器控制的趨勢（這個沒體現(xiàn)怎么選配）6.3.1固體繼電器電壓等級及過壓保護(hù)當(dāng)加在固體繼電器交流兩端的電壓峰值超過SSR所能承受的最高電壓峰值時，固體繼電 器的元件便會被電壓擊穿而損壞SSR。選取合適電壓等級和并聯(lián)壓敏電阻可以較好地保護(hù) SSR。（1）等級選擇。交流負(fù)載為220V的阻性負(fù)載時可選取220V電壓等級SSR。交流負(fù)載 為380V的阻性負(fù)載時可選取380V電壓等SSR。（2） SSR過壓保護(hù)，除SSR內(nèi)部自身有RC吸收回路保護(hù)外，還可以采取聯(lián)金屬氧化物 壓

17、敏電阻（MOV），一般220V系列SSR選取500600V。380V系列SSR選800900V的壓敏電 阻。480V系列選取10001100V壓敏電阻。6.3.2固體繼電器電流等級及過流保護(hù)固體繼電器型號中的電流值為內(nèi)部可控硅所能承受的最大電流有效。作為SSR的過流（含 負(fù)載短路）保護(hù)，可采用快速熔斷器和空氣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。許多負(fù)載在接通瞬間會產(chǎn)生很大的 涌浪電流，涌浪及短路電流是造成SSR損壞主要原因。因此選取SSR時保證一定電流分量是 非常必要。阻性負(fù)載時，一般選取SSR電流等級32XIe （額定電流）。（6.3.3固態(tài)繼電器散熱SSR在導(dǎo)通時產(chǎn)生熱量，在散熱設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮環(huán)境溫度通風(fēng)條件（自然或風(fēng)扇冷卻） 及S