求温度测量控制在加热系统中的应用？？

【专家解说】：

1 概述

温度测量控制的应用涉及了工农业生产的各个领域。据有关资料统计温度测量控制在工农业生产中所占比例达到50％以上，而且随着科学技术的发展，控制理论、电子技术、电力电子和计算机监控技术及可控硅等电力电子发展在温度测量控制中被广泛应用。同时，温度测量控制系统能有效地利用和节约能源。因此了解掌握好温度测量控制系统的方法，正确地选型使用好各类温度测量控制系统就显得十分重要。

2 温度测量控制系统

温度测量控制系统主要由传感器（热电偶）、显示调节仪表（二次仪表）、输出执行机构三大部分组成如图1所示。

图1 温度测量控制系统结构示意图

2．1传感器

传感器（热电偶、热电阻）是温度测量中最常用的温度检测元件。其主要作用是将生产过程中的温度变化信号转化为电压、电流、电阻、频率等信号，传递到2次仪表，是控制系统的检测部分。

2．2温度显示调节仪表

温度显示调节仪表其主要作用是将现场传感器传递来的信号进行干扰滤除、放大，非线性校正等处理后，尽可能精确、直观地将信号还原成物理量——温度。同时根据要求将现场信号值与给定值进行比较和运算处理后，输出相应的电流、电压，驱动脉冲、触点切换或调节等控制信号给执行机构,是控制系统显示调节部分。

2．3执行机构

执行机构主要作用是对量对象中的温度参数进行调节控制,主要由继电器、可控硅、固态继电器、电磁阀及电动阀门等执行器件执行对负载的调制。是控制系统输出执行部分。

3．温度自动控制系统原理

通常温度控制系统主要由调节对象、检测装置、调节仪和执行器组成。如图2所示，是一个闭环调节系统。当温度给定值S与检测装置（传感器）测量输出值Z比较后，其偏差值e信号送入温度调节器、放大、运算等处理后，转换成驱动信号p值驱动执行器，由执行器输出调节参数g，同时调节与干扰值f矢量叠加后，给出实时被调温度再通过检测装置（传感器）形成反馈的闭环系统

图2　温度自动控制系统原理框图

4传感器的选择与应用

传感器（热电偶、热电阻）在温度测量系统中，由于其结构简单、性能稳定、使用方便、测量精度高、测量范围广等优点，因此能被广泛采用。选用传感器时要考虑到测量范围、测量精度及温度分布、工作使用环境，然后根据以上情况选用热电偶型号、分度号、以及热电偶外形结构。

4.1热电偶(热电阻)的选择

4.1．2根据热电偶和温度场所的特性正确选用热电偶、热电阻

根据温度控制系统使用场合合理选用热电偶可以提高热电偶的寿命和保证测量精度，亦可降低成本。

（1）快速热电偶（高温计）。主要运用于钢铁熔炼过程中温度瞬间测量，精度高、反应快、结构轻巧，一般测温范围400～2000℃，测量误差通常±16℃以下。

（2）耐腐蚀热电偶。耐腐蚀热电偶用于除熔融硝金属，三氟化氯及元素氟以外的强酸、强碱、强氧化剂等各种腐蚀介质的测量，在使用中应采用特制玻璃密封成包氟保护管传感器。

（3）防爆工业热电偶.防爆热电偶主要用于生产现场存在碳氢化合物等爆炸性混合的煤炭、石油、化工、冶金等部门用来测量 -200～+900℃ 内液体、气体和蒸气介质的温度。

（4）铠装热电偶。铠装热电偶是一种较常用温度检测元件，具有反应时间快、坚固耐用等特点。

（5）铂热、铜热热电阻传感器稳定性能好、测量精度高、输出灵敏度较热电偶高，但测量上限温度低、机械强度差、抗震能力低，一般使用测量温度＜200℃场合，而且不必采用补偿导线即可加长热电阻传感器输出线，适合较远距离测量控制。

（6）在氧化惰性气氛中适宜用S型铂铑10——锗热电偶。在惰性还原气氛，真空氧化物气氛中适宜用K型镍鉻——镍硅热电偶。

4.1．3根据热电偶的时间常数和温度场所的惰性选用热电偶

由于惯性的存在，任何仪器都不会立即对周围介质的变化发生响应，这就是测量滞后，热电偶的滞后是用它的时间常数来表征。当用时间常数大的热电偶测温或控温时，仪表显示温度虽然波动很小，但实际温度波动可能很大。为了准确获得测量温度，应当选用时间常数（符号）小的热电偶。热电偶的时间常数与传热系数成反比，与热端的直径材料的比重及比热成正比。尽量采用导热性能好的材料、管壁薄、内径小的保护套。

4.2 热电偶（热电阻）的安装

（1）安装位置。热电偶安装位置（工作偶）应尽可能反映出温度场内代表性，不能安装在温度场死角及靠近热源太近位置。

（2）热电偶置入深度。热电偶最小置入温度一般应不小于热电偶保护管外径8～10倍，还要保证冷端环境温度稳定且不超100℃。

(3)热电偶引线敷设。热电偶的安装位置应避开强磁场和电场，热电偶测量线和电力线、控制线同一走线管内，不应平行敷设。

（4）安装方向。在小直径管道中安装时，工作端一般迎着热流方向，在大直径中管道安装时热电偶应垂直管壁。

5　温度显示调节仪表选择与应用

5．1温度显示调节仪表选用

5.1.1系统安全可靠性

我们在设计处理高等级的温度测量控制系统时，应将系统安全可靠放在首位。 如在设计一套加热温度为450℃～480℃铝模铁氟龙热处理炉时，考虑到温控系统超过600℃后会造成设备及处理工件损坏，在设计温度控制系统时，应选用满量程为不超过600℃温度控制仪，同时温度调节仪应具有上限≥480℃超温报警功能，必要时再设置一套超限＞600℃断路器独立系统，以提高系统安全性及可靠性。

5.1.2系统经济适用性

在选择温度控制系统中，充分了解生产工艺对温度测量控制要求及生产工况条件后综合考虑性价比。如某一加热系统允许目标温度250℃±5℃误差，那么在选择温度仪表上我们可以采用二位式温度调节仪表，其具有可靠性高、成本低的特点，如果允许在600℃±3～4 ℃目标温度，虽然为了提高控温精度，可采用可控硅连续控制或固态继电器过零控制等来提高精度，但半导体元件抗瞬间峰压，负载短路等能力仍无法和传统电磁继电器相比，因此在允许±3～4℃误差范围内加热系统可选择二位、三位式或比例式控制即可满足要求。如果系统要求500℃±1.5 ℃目标温度,那么可考虑选择三位半(0.5级精度)具有可硅或固态继电器过零或移相触发连续PID自整定温度调节仪即可满足要求.

5.1.3仪表量程与被测目标温度相近性

仪表的允许误差（精度等级）直接影响测温结果的准确度，但同一精度等级，不同量程仪表允许产生测量误差值是不一样，所以在选择仪表时，应尽量使仪表的实际输入量程在满量程的3／4左右为佳。

5.2 温度显示仪的应用

温度显示仪可为二位、三位式调节仪表及PID调节仪表

5.2.1二位式温度测量控制仪

二位温度调节仪在初始加热阶段，由于被控对象及加热源的惯性作用，在已经切断加热源情况下，炉体温度还会继续上升（具体与系统热惯性有关），因此在冷态加热前，应先将设定温度设置在目标温度值90％左右，待经过1～3个加热周期后，再将设置值设置在所需目标温度值上，以避免开机产生温度过冲。（这段应是表达湿度测量仪的设置值如何设定。）

5.2.2三位式温度测量控制仪

三位式温度调节仪就是为了克服二位式调节仪容易产生升温速度与温度过冲量（超调）之间的矛盾而发展一种调节方式，三位式调节可以利用内部两个继电器输出组成“升温加热”（即全功率加热）、“恒温调节”（部分功率保温加热）及“停止加热”三种状态，即采用主辅2组加热器，在升温阶段A、B组同时加热，升温速度快，当加热到临近目标温度时（称之下限值，可人工设定），将辅助加热切断，保留主加热器逐步加热至目标温度。一般设计系统时，辅助加热器加热能量为总能量30％～50％左右，具体应视系统组成及工况进行调整确定。（这里同上）

5.2.3 PID控制的温度测量控制仪参数调节方法及选取

PID是比例（P）、积分（I）、微分（D）的温度调节仪的调节方法简称。绝大多数温度调节仪PID参数即可自整定，亦可人工手动调整。其调节原理是根据输入值与设定值之间偏差大小，在比例调节后，对偏差信号进行反馈处理，时间越长，积分调节越明显，直至静差消除，微分调节为积分调节的反调节，是为了使系统能尽快稳定，因此PID调节是精度较高调节方式，在大多数场合下选择P=5％， I=210s, D=30s ，一般就能达到理想的调节效果。亦可用下图来表示如图1、图2、图3、图4所示。（也是表达如何设定理想的值。）

★如有下图的情况，请减少P的设定值 ★如有下图的情况，请减少P的设定值

　　　　　　图1　PID为多少的状态　　　　　　　　　　　图2　　

★如有下图的情况，请增加I或P的设定值 ★如有下图的情况，请减少D的设定值

图3　　　　　　　　　　　　　　　　　　图4　

6执行机构的选用

在温度控制系统组成中，作为承担执行任务的机构由，中间继电器、交流接触器、电力电子（可控硅、双向可控硅、固态继电器等）组成，所控制的对象，一般为电加热器、蒸汽、热水等。

一般工作在大电流、高电压及开启和关闭动作频繁，工作环境中尘埃多，散热困难等是系统可靠性中最薄弱的环节，因此在选用时应根据以下特点进行选配使用。

6.1交流接触器选配

对于温度控制系统要求不高的，为了提高性价比，可以选用交流接触器。由于二次调节温度表内部输出继电器、触点额定电流为5A以下，若要驱动1KW以上负载或三相负载就必须由仪表内继电器来控制交流接触器。以实现对大电流、高电压的控制，一般情况下建议可根据实际负载电流的1.5倍左右来选择交流接触器的额定电流，以利提高系统可靠性及延长使用寿命，同时可根据系统控制精度，合理设置仪表的 “回差”（即误差带一般在0.05～0.5％FS）参数，避免交流接触器频繁工作，影响使用寿命。

6.2可控硅选配

对于要求自动控制系统精度高的各种场合，常采用电子温度调节器附配一套过零或移相触发控制器来实现对可控硅的触发控制，用以改变输出波形有效值，而改变加热功率或改变单位时间内的平均加热功率，来实现温度控制。

可控硅元件分为单向可控硅和双向可控硅。用于阻性电加热系统中，从成本、可靠性和安装方便性考虑，可采用双向可控硅，可控硅的耐压必须为供电电压2.5倍以上（以AC200V电压为例，则应选耐压≥600V。可控硅额定电流必须是使用电流的1.5倍以上。同时可控硅配用足够大的散热器，保证良好散热通风条件。若必要时，可采用水冷循环式散热，以确保可控硅在任何情况下的温度不超过100℃。为了防止负载短路而损坏可控硅，应在负载相线输入端安装专用的快速熔断器保护。为了防止可控硅瞬间过电压，可在可控硅的阳极和阴极两端并入电阻R=1.5u，电容 C=1.5uf， 耐压为630V的阻容吸收电路。

6.3固态继电器选配

固态继电器（SSR）是一种用半导体器件代替传统电接点作为切换装置并具有继电器特性的无触点开关器件。具有工作可靠、寿命长、无噪音、无火花、无电磁干扰、开关速度快、抗干扰能力强且体积小、耐冲击、防爆等优点，能以微小控制信号实现直接驱动大电流负载。但是，存在通态压降及断态漏电流等不足。目前已用电加热控制系统及工业自动化等领域，已有逐步广泛取代继电器及交流接触器控制的趋势。（这个没体现怎么选配）

6.3.1固体继电器电压等级及过压保护

当加在固体继电器交流两端的电压峰值超过SSR所能承受的最高电压峰值时，固体继电器的元件便会被电压击穿而损坏SSR。选取合适电压等级和并联压敏电阻可以较好地保护SSR。

（1）等级选择。交流负载为220V的阻性负载时可选取220V电压等级SSR。交流负载为380V的阻性负载时可选取380V电压等SSR。

（2） SSR过压保护,除SSR内部自身有RC吸收回路保护外,还可以采取联金属氧化物压敏电阻(MOV)，一般220V系列SSR选取500～600V。380V系列SSR选800～900V的压敏电阻。480V系列选取1000～1100V压敏电阻。

6.3.2 固体继电器电流等级及过流保护

固体继电器型号中的电流值为内部可控硅所能承受的最大电流有效。作为SSR的过流（含负载短路）保护，可采用快速熔断器和空气开关来实现。许多负载在接通瞬间会产生很大的涌浪电流，涌浪及短路电流是造成SSR损坏主要原因。因此选取SSR时保证一定电流分量是非常必要。阻性负载时，一般选取SSR电流等级≥2×Ie（额定电流）。（

6.3.3 固态继电器散热

SSR在导通时产生热量，在散热设计时应充分考虑环境温度通风条件（自然或风扇冷却）及SSR安装密度等因素。SSR与安装的散热器接触面温度不超过80℃。对于单相SSR的发热量:实际负载电流×1.5W／A。