求溫度測量控制在加熱系統(tǒng)中的應(yīng)用？？

【專家解說】：

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)計溫度測量控制在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所占比例達到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)、電力電子和計算機監(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）、顯示調(diào)節(jié)儀表（二次儀表）、輸出執(zhí)行機構(gòu)三大部分組成如圖1所示。

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行比較和運算處理后，輸出相應(yīng)的電流、電壓，驅(qū)動脈沖、觸點切換或調(diào)節(jié)等控制信號給執(zhí)行機構(gòu),是控制系統(tǒng)顯示調(diào)節(jié)部分。

2．3執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)主要作用是對量對象中的溫度參數(shù)進行調(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)行對負載的調(diào)制。是控制系統(tǒng)輸出執(zhí)行部分。

3．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、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，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

4.1．2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）。主要運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400～2000℃，測量誤差通常±16℃以下。

（2）耐腐蝕熱電偶。耐腐蝕熱電偶用于除熔融硝金屬，三氟化氯及元素氟以外的強酸、強堿、強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)場存在碳氫化合物等爆炸性混合的煤炭、石油、化工、冶金等部門用來測量 -200～+900℃ 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、堅固耐用等特點。

（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、機械強度差、抗震能力低，一般使用測量溫度＜200℃場合，而且不必采用補償導(dǎo)線即可加長熱電阻傳感器輸出線，適合較遠距離測量控制。

（6）在氧化惰性氣氛中適宜用S型鉑銠10——鍺熱電偶。在惰性還原氣氛，真空氧化物氣氛中適宜用K型鎳鉻——鎳硅熱電偶。

4.1．3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，但實際溫度波動可能很大。為了準確獲得測量溫度，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)徑小的保護套。

4.2 熱電偶（熱電阻）的安裝

（1）安裝位置。熱電偶安裝位置（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)不小于熱電偶保護管外徑8～10倍，還要保證冷端環(huán)境溫度穩(wěn)定且不超100℃。

(3)熱電偶引線敷設(shè)。熱電偶的安裝位置應(yīng)避開強磁場和電場，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)計一套加熱溫度為450℃～480℃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)計溫度控制系統(tǒng)時，應(yīng)選用滿量程為不超過600℃溫度控制儀，同時溫度調(diào)節(jié)儀應(yīng)具有上限≥480℃超溫報警功能，必要時再設(shè)置一套超限＞600℃斷路器獨立系統(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250℃±5℃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，如果允許在600℃±3～4 ℃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)繼電器過零控制等來提高精度，但半導(dǎo)體元件抗瞬間峰壓，負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±3～4℃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500℃±1.5 ℃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1～3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，以避免開機產(chǎn)生溫度過沖。（這段應(yīng)是表達濕度測量儀的設(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，對偏差信號進行反饋處理，時間越長，積分調(diào)節(jié)越明顯，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。（也是表達如何設(shè)定理想的值。）

★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2　　

★如有下圖的情況，請增加I或P的設(shè)定值 ★如有下圖的情況，請減少D的設(shè)定值

圖3　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4　

6執(zhí)行機構(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)的機構(gòu)由，中間繼電器、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)以下特點進行選配使用。

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、觸點額定電流為5A以下，若要驅(qū)動1KW以上負載或三相負載就必須由儀表內(nèi)繼電器來控制交流接觸器。以實現(xiàn)對大電流、高電壓的控制，一般情況下建議可根據(jù)實際負載電流的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，來實現(xiàn)溫度控制。

可控硅元件分為單向可控硅和雙向可控硅。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≥600V?？煽毓桀~定電流必須是使用電流的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?？煽毓柙谌魏吻闆r下的溫度不超過100℃。為了防止負載短路而損壞可控硅，應(yīng)在負載相線輸入端安裝專用的快速熔斷器保護。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)電接點作為切換裝置并具有繼電器特性的無觸點開關(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、抗干擾能力強且體積小、耐沖擊、防爆等優(yōu)點，能以微小控制信號實現(xiàn)直接驅(qū)動大電流負載。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

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SSR。

（1）等級選擇。交流負載為220V的阻性負載時可選取220V電壓等級SSR。交流負載為380V的阻性負載時可選取380V電壓等SSR。

（2） SSR過壓保護,除SSR內(nèi)部自身有RC吸收回路保護外,還可以采取聯(lián)金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，一般220V系列SSR選取500～600V。380V系列SSR選800～900V的壓敏電阻。480V系列選取1000～1100V壓敏電阻。

6.3.2 固體繼電器電流等級及過流保護

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（含負載短路）保護，可采用快速熔斷器和空氣開關(guān)來實現(xiàn)。許多負載在接通瞬間會產(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。阻性負載時，一般選取SSR電流等級≥2×Ie（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SSR安裝密度等因素。SSR與安裝的散熱器接觸面溫度不超過80℃。對于單相SSR的發(fā)熱量:實際負載電流×1.5W／A。