1、第十章第十章 炉温的测量与控制炉温的测量与控制 热处理炉的炉温测量与控制，是热处理热处理炉的炉温测量与控制，是热处理炉有效炉有效运行所不可缺少的；运行所不可缺少的；炉温测量与控制装置是现代热处理炉不炉温测量与控制装置是现代热处理炉不可分割可分割的部分。的部分。 1 11 1 温度的测量温度的测量一、热电偶测温特点：特点：测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动测温范围宽、测量精度高、性能稳定、结构简单，且动态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测态响应较好；输出直接为电信号，可以远传，便于集中检测和自动控制。和自动控制。1.1.测温原理测温原理热电偶的测温原理基于热电偶的测
2、温原理基于热电热电效应效应。将两种不同的导体。将两种不同的导体A A和和B B连成闭合回路，当两个接点处连成闭合回路，当两个接点处的温度不同时，回路中将产生的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现热电势，由于这种热电效应现象是象是18211821年塞贝克（年塞贝克（SeebackSeeback）首先发现提出，故又称塞贝）首先发现提出，故又称塞贝克效应。克效应。塞贝克效应示意图塞贝克效应示意图 2 2热电偶热电偶 热电偶：热电偶：在温度测量中把在温度测量中把两种不同材料两种不同材料构成的上述热电变构成的上述热电变换的元件。换的元件。 称称A,BA,B导体为热电极。两个结点，一个为工作
3、端导体为热电极。两个结点，一个为工作端T T，一个为，一个为自由端或冷端自由端或冷端T T0 0。 热电动势的大小与热电极断面大小无关。热电动势的大小与热电极断面大小无关。3 3中间导体定则中间导体定则将将A A，B B构成的热电偶构成的热电偶T T0 0端断开，接入第三种导体端断开，接入第三种导体C C，只要，只要保持保持C C两端的温度相同，对回路总的电势无影响。两端的温度相同，对回路总的电势无影响。将第三种导体换成同一种导线，并保证两个结点温度一致，将第三种导体换成同一种导线，并保证两个结点温度一致，就可对热电势进行测量且不影响热电偶的输出。就可对热电势进行测量且不影响热电偶的输出。保持
4、冷端为保持冷端为00或一常数值，是热电偶使用的前提条件。或一常数值，是热电偶使用的前提条件。这也是设计各种与热电偶配套的测温自动化仪表冷端补偿这也是设计各种与热电偶配套的测温自动化仪表冷端补偿方法的理论依据。方法的理论依据。4 4常用热电偶及使用范围常用热电偶及使用范围5 5冷端补偿冷端补偿热电偶的分度表是在其冷端为热电偶的分度表是在其冷端为00时测定的，因此，只时测定的，因此，只有在冷端是有在冷端是00时，才能根据测得的电势大小，用分度时，才能根据测得的电势大小，用分度表查出正确的被测温度值。表查出正确的被测温度值。实际使用时，由于环境温度，热电偶冷端不可能恒为实际使用时，由于环境温度，热电
5、偶冷端不可能恒为00，为避免冷端温度变化引起测量误差，使用时因对，为避免冷端温度变化引起测量误差，使用时因对冷端进行补偿。冷端进行补偿。调节仪表零点调节仪表零点下图为补偿的一种方法：下图为补偿的一种方法：6、补偿导线 0-100 范围内的热电性质和它要补偿的热电范围内的热电性质和它要补偿的热电偶的热电性质完全一样。偶的热电性质完全一样。 补偿导线实质上是一个附加的低温热电偶二、热电阻测温二、热电阻测温 利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称利用导体和半导体的电阻随温度变化这一性质做成的温度计称为电阻温度计。为电阻温度计。 大多数金属在温度升高大多数金属在温度升高1 1 C C
6、时电阻将增加时电阻将增加0.40.40.60.6。 半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升半导体电阻一般随温度升高而减小，其灵敏度比金属高，每升高高1 1 C C ，电阻约减小，电阻约减小2 26 6。 一般采用的材料有铂丝一般采用的材料有铂丝( (200200850)850)和铜丝和铜丝( (4040120)120)。 三、辐射测温三、辐射测温利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一利用光辐射来测量物体温度。任何物体受热后都特有一部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空部分的热能转变为辐射能，温度越高，则发射到周围空间的能量就越多。间的能量就越多。在温度测量中
7、主要是可见光和红外光，因为此类能量被在温度测量中主要是可见光和红外光，因为此类能量被接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高。接收以后，多转变为热能，使物体的温度升高。1 12 2 炉温控制炉温控制一、炉温变化特点一、炉温变化特点1 1具有热惯性具有热惯性 当检测到炉温为当检测到炉温为TT时，停止加热，由于测温元时，停止加热，由于测温元件检测的滞后和电热元件的温度高于件检测的滞后和电热元件的温度高于TT，一般炉，一般炉温仍将上升一定温度，称为热惯性。温仍将上升一定温度，称为热惯性。2 2温度指示滞后温度指示滞后 不论热电偶有无保护套管，其温度的变化总不论热电偶有无保护套管，其温度的变化总滞后于
8、炉温的变化。热电偶和保护套管的热惰性越滞后于炉温的变化。热电偶和保护套管的热惰性越大，这种滞后就越大。大，这种滞后就越大。二、炉温控制的组成二、炉温控制的组成一般由炉温检测元件、显示及控制仪表、执行元件组成。一般由炉温检测元件、显示及控制仪表、执行元件组成。1 1显示及控制仪表显示及控制仪表一般有动圈表、数控表、可记录控制仪表（数字式和电子电位差计）。一般有动圈表、数控表、可记录控制仪表（数字式和电子电位差计）。一般接线端子有电源输入、热电偶输入、控制输出、报警输出等。一般接线端子有电源输入、热电偶输入、控制输出、报警输出等。2 2执行元件执行元件常用开关、交流接触器、可控硅、固态继电器、中间
9、继电器、报警铃、指示灯等。常用开关、交流接触器、可控硅、固态继电器、中间继电器、报警铃、指示灯等。刀闸电路符号刀闸电路符号QS保险丝电路符号保险丝电路符号FU常开常开(动合动合)按钮按钮电路符号电路符号SB常闭常闭(动断动断)按钮按钮电路符号电路符号SBKMKMKM341278 图文符号AAGGKKb)c)a)AGKKGAP1N1P2N2J1J2J3外形 结构 电气图形符号 单向可控硅单向可控硅KGA P2N1 N2P1P1KGAP1N1N1P2N2P2UCUANPNPNPKAG G可控硅的等效电路可控硅的等效电路(b)(b)UAUCS(c)(c)UAUCS(a)(a)UAUCS(d)(d)U
10、AUCS打开后(e)(e)UAUCSK可控硅的导通与阻断可控硅的导通与阻断由由(a)(a)：当可控硅受反向阳极电压时，不论控制极承受正向或反向电压，：当可控硅受反向阳极电压时，不论控制极承受正向或反向电压，可控硅均处于阻断状态；可控硅均处于阻断状态；由由(b)(b)、（、（c c）：当可控硅承受正向阳极电压时，仅正控制极承受正向电）：当可控硅承受正向阳极电压时，仅正控制极承受正向电压时可控硅才由阻断状态转变为导通状态；压时可控硅才由阻断状态转变为导通状态；由（由（d d）：在导通情况下，只要可控硅承受一定的正向阳极电压，则不论）：在导通情况下，只要可控硅承受一定的正向阳极电压，则不论控制极的电
11、压如何，可控硅仍导通。即可控硅导通后，控制极便失去控制控制极的电压如何，可控硅仍导通。即可控硅导通后，控制极便失去控制作用；作用；由（由（e e）：可控硅导通情况下，只有当正向阳极电压减少到一定值或者阳）：可控硅导通情况下，只有当正向阳极电压减少到一定值或者阳极电压为负值时，可控硅才从导通状态恢复为阻断状态。极电压为负值时，可控硅才从导通状态恢复为阻断状态。可控硅的导通与阻断条件可控硅的导通与阻断条件(c)(c)UAUCS(e)(e)UAUCSK单向可控硅的控制单向可控硅的控制电路和波形如图所示，设电路和波形如图所示，设U2=U2sinU2=U2sin。正半周：正半周：0 0t tt1,Ug=
12、0,Tt1,Ug=0,T正向阻断，正向阻断，id=0,UT=u2,Ud=0id=0,UT=u2,Ud=0 t=t1 t=t1时时, ,加入加入ugug脉冲，脉冲，T T导通，忽略其正向压降，导通，忽略其正向压降，UT=0,Ud=u2,id=UdUT=0,Ud=u2,id=Ud/Rd/Rd。负半周：负半周：tt22当当u2u2自然过零时，自然过零时， T T自行关断而处于反向阻断状态，自行关断而处于反向阻断状态，UtUt=0,Ud=0,id=0=0,Ud=0,id=0。从从0 0到到t1t1的电度角为的电度角为，叫控制角。从，叫控制角。从t1t1到到的电度角为的电度角为，叫导通角。，叫导通角。+
13、=+=。当。当=0=0，=180=180度时，可控硅全导通。度时，可控硅全导通。当当=180=180度，度，=0=0度时，可控硅全关断，输出电压为零。度时，可控硅全关断，输出电压为零。 三、炉温调节三、炉温调节1 1位式调节位式调节特点：特点：目前国内工厂最常用的调节方式，其结构简单，使用目前国内工厂最常用的调节方式，其结构简单，使用 方便，成本低。方便，成本低。 调节精度不高，被调参数波动大，调节器频繁动作，调节精度不高，被调参数波动大，调节器频繁动作，易损坏且噪音大易损坏且噪音大工作方式：工作方式：二位式调节控二位式调节控制仪表控制接触器制仪表控制接触器C C的通断，的通断，从而控制电热元
14、件的通电从而控制电热元件的通电或断电。即炉温低于控制或断电。即炉温低于控制温度温度T T时，时，C C接通，电炉全接通，电炉全功率升温，高于功率升温，高于T T时，时，C C断断开电炉停止供电，炉温下开电炉停止供电，炉温下降。降。2 2比例、微分、积分（比例、微分、积分（PIDPID）控制）控制a)a)调节方式调节方式比例调节：比例调节：调节器的输出信号能按一定比例，无滞后、无惯性地重现输入信号变化调节器的输出信号能按一定比例，无滞后、无惯性地重现输入信号变化 的调节规律。可产生强大的稳定作用。的调节规律。可产生强大的稳定作用。I I 。积分调节：积分调节：输出信号与输入信号的积分成比例关系的
15、调节规律。可消除静差。输出信号与输入信号的积分成比例关系的调节规律。可消除静差。 I I dtdt。微分调节微分调节：输出信号与输入信号偏差的变化速度成比例关系的调节。可加速过渡过输出信号与输入信号偏差的变化速度成比例关系的调节。可加速过渡过程，克服因积分作用而引起的滞后。程，克服因积分作用而引起的滞后。 I I （dd）dtdt。 将这三种调节作用综合，就能获得动作快而稳定的调节过程，并能保持较高的将这三种调节作用综合，就能获得动作快而稳定的调节过程，并能保持较高的调节精度。目前，可进行调节精度。目前，可进行PIDPID调节的数字温度仪表，一般带有可根据炉子性能，进调节的数字温度仪表，一般带有可根据炉子性能，进行行PIDPID参数自整定，使用也很方便。参数自整定，使用也很方便。b b) )执行元件执行元件可采用可控硅（能执行位式和连续可采用可控硅（能执行位式和连续PIDPID调节），固态继电器（能执行位式和断续调节），固态继电器（能执行位式和断续PIDPID）等。）等。四、热处理生产过程控制四、热处理生产过程控制
