1、1.1第十二章第十二章 炉温测量及控制炉温测量及控制 授课人：杨晓敏授课人：杨晓敏North University of ChinaCollege of Materials Science and Engineering2008.01.041.2教学提示教学提示教 学 要 求教 学 要 求 ：要得到高质量、高性能的产品，热处理温：要得到高质量、高性能的产品，热处理温度的合理制订非常重要，但制订合理的温度也是不够度的合理制订非常重要，但制订合理的温度也是不够的，往往温度达不到要求，这就需要炉温测量及控制。的，往往温度达不到要求，这就需要炉温测量及控制。热处理工艺的最佳过程，首要的是按照工艺规范对
2、热热处理工艺的最佳过程，首要的是按照工艺规范对热处理炉温度进行测量和控制。处理炉温度进行测量和控制。：要求了解炉温测量，炉温控制以及计算机：要求了解炉温测量，炉温控制以及计算机在热处理炉中的应用。在热处理炉中的应用。第十二章第十二章 炉温测量及控制炉温测量及控制1.312121 1 炉温测量炉温测量12122 2 炉温控制炉温控制12123 3 热处理炉的计算机控制热处理炉的计算机控制第十二章第十二章 炉温测量及控制炉温测量及控制1.4一、概述一、概述1 1、炉温的概念、炉温的概念 炉温的概念：相对炉膛空间来讲，我们所测量的炉温的概念：相对炉膛空间来讲，我们所测量的炉温及其变化，是测量点炉温及
3、其变化，是测量点(感温元件热端那一点感温元件热端那一点)的温的温度及其变化。度及其变化。12121 1 炉温测量炉温测量2 2、炉温和零件温度、炉温和零件温度 炉温和零件温度两者概念不同，热处理中要测量和控炉温和零件温度两者概念不同，热处理中要测量和控制的应该是零件的温度而不是炉温。但通常情况下测量零制的应该是零件的温度而不是炉温。但通常情况下测量零件温度有一定难度，所以在大多数情况下仍用炉温来表示件温度有一定难度，所以在大多数情况下仍用炉温来表示零件温度。零件温度。1.53 3、炉温的均匀度和零件温度均匀性、炉温的均匀度和零件温度均匀性 炉温均匀度是指电阻炉在试验温度下的热稳定炉温均匀度是指
4、电阻炉在试验温度下的热稳定状态时炉内的温度均匀程度。状态时炉内的温度均匀程度。零件温度均匀性，既包括同一炉零件的温度要零件温度均匀性，既包括同一炉零件的温度要一样，也包括每一个零件各处的温度要一样。一样，也包括每一个零件各处的温度要一样。12121 1 炉温测量炉温测量1.6二、炉温测量系统的构成二、炉温测量系统的构成 炉温测量系统主要由感温元件和与之相配的测温线路和炉温测量系统主要由感温元件和与之相配的测温线路和仪表构成。仪表构成。热处理中常用的感温元件有热电偶和热电阻。热处理中常用的感温元件有热电偶和热电阻。12121 1 炉温测量炉温测量（一）感温元件（一）感温元件 在温度测量中，热电偶
5、的应用极为广泛，它具有结在温度测量中，热电偶的应用极为广泛，它具有结构简单、制造方便、测量范围广、精度高等许多优点构简单、制造方便、测量范围广、精度高等许多优点,在温度测量中占有重要的地位。其测温范围较宽，一般在温度测量中占有重要的地位。其测温范围较宽，一般为为-50-5016001600，最高的可达到，最高的可达到30003000。1.7（1 1）、普通装配型热电偶）、普通装配型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。绝缘套管、保护管和接线盒组成。12121 1 炉温测量炉温测量1 1、热电偶类型、热电
6、偶类型1.8普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装螺纹1.9普通装配型热电偶普通装配型热电偶的结构放大图的结构放大图 接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹（出厂时用固定螺纹（出厂时用塑料包裹）塑料包裹）热电偶工作端（热端）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管不锈钢保护管 1.10（2）、铠装热电偶 铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中。1.11铠装型热电偶外形铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达长达上百米上百米薄壁金属薄壁金属 保护保护套管
7、（铠体）套管（铠体）BA铠装型热电偶横截面铠装型热电偶横截面1.122、热电偶的测温原理热电偶的测温原理先看一个实验先看一个实验热电偶工作原理演示热电偶工作原理演示 结论：两种不同材料的导体，组成一个封闭回路，如果两端结点温结论：两种不同材料的导体，组成一个封闭回路，如果两端结点温度不同，则回路中就会产生一定大小的电流，这个电流大大小与两度不同，则回路中就会产生一定大小的电流，这个电流大大小与两种导体材料性质以及结点温度有关，这就是温差效应种导体材料性质以及结点温度有关，这就是温差效应。热电极热电极A A右端称为：右端称为：自由端（参自由端（参考端、冷端）考端、冷端）左端称为：左端称为：测量端
8、（工测量端（工作端、热端）作端、热端）热电极热电极B B热电势热电势A AB B1.1312121 1 炉温测量炉温测量n 目前热电偶统一目前热电偶统一规定在规定在T0=0的条件下，给出的条件下，给出测量测量端温度与热电势的数值对照表端温度与热电势的数值对照表，即分度表自由端（约束条，即分度表自由端（约束条件：冷端温度必须为件：冷端温度必须为0）。测温时，根据测出的热电势。测温时，根据测出的热电势可通过查对应的分度表，查得所测的温度值。可通过查对应的分度表，查得所测的温度值。1.14通过以上演示得出结论有关热电偶热电势的讨论 （或半导体）（或半导体）A A、B B组合成闭合回路。若组合成闭合回
9、路。若两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有两结点处温度不同，则回路中将有电流流动，即回路中有热电动势存在。热电动势存在。如果构成热电偶的两个热电极为材料相同如果构成热电偶的两个热电极为材料相同的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总的均质导体，则无论两结点温度如何，热电偶回路内的总热电势为零热电势为零均质导体定律均质导体定律 如果热电偶如果热电偶 相等相等t=t0，热电偶回路内的总电，热电偶回路内的总电势亦为零。势亦为零。将两种不同的导体将两种不同的导体两结点温度两结点温度1.15n 中间导体定律中间导体定律 n利用热电偶进行测温利用热电偶进行测温,必须在回路中必须在回
10、路中引入连接导线和仪表引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律：在热电偶测温中间导体定律：在热电偶测温回路内回路内,接入接入第三种导体第三种导体C C,只只要其两端温度相同要其两端温度相同,则对回路的则对回路的总热电势没有影响。总热电势没有影响。12121 1 炉温测量炉温测量TT0V1.16（二）、热电偶冷端温度补偿（二）、热电偶冷端温度补偿 用热电偶的分度表查毫伏数用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，温度时，必须满足必须满足t0=0 C的条件的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温。在实际测温中，冷端温度常随环境
11、温度而变化，这样度而变化，这样t0不但不是不但不是0 C，而且也不恒定，而且也不恒定，因此因此将产生误差。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失将产生误差。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。12121 1 炉温测量炉温测量主要有：冷端恒温法主要有：冷端恒温法 、补偿导线法、补偿导线法 、计算修正法、计算修正法 和电桥补偿法等几种。和电桥补偿法等几种。1.17补偿导线法补偿导线法n采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。n所谓补偿导线：实际上是一对
12、材料化学成分不同的导线，所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在在0 0100100温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所伸到温度恒定的场所(如仪表室如仪表室)，其实质是相当于将热电，其实质是相当于将热电极延长极延长。12121 1 炉温测量炉温测量1.18 如采用镍铬如采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为镍硅热电偶测炉温，热端为800，冷端为，冷端为50，仪表室为仪表室为20 ，先分别查表得：，先分别查表得：E（800,
13、0）=33.277mV、E(50,0)=2.022mV和和 E(20,0)=0.798mV。则不补偿时输入仪表的热电势为：则不补偿时输入仪表的热电势为：E(800,50)=33.2772.022=31.255mV（相当于（相当于751 ），采用补偿导线后则为：），采用补偿导线后则为：E(800,20)=33.2770.798=32.479mV（相当于（相当于781 ），效果显著。），效果显著。12121 1 炉温测量炉温测量E EABAB（t t，t t0 0）=E EABAB（t t，0 0）-E EABAB（t t0 0，0 0）1.19补偿导线外形 AABB保护层保护层1.20（三）常用
14、热电偶及其特性 1.1.铂铑铂铑1010-铂热电偶铂热电偶 这种热电偶分度号为这种热电偶分度号为“S”S”。它的正极是铂铑。它的正极是铂铑丝丝(铂铂90%90%，铑，铑l0%)l0%)，负极是纯铂丝。测温范围为，负极是纯铂丝。测温范围为0170001700。其特点是热电。其特点是热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。常用作标准热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。常用作标准热电偶或用于高温测量。偶或用于高温测量。2.2.镍铬镍铬-镍硅热电偶镍硅热电偶 这种热电偶分度号为这种热电偶分度号为“K K”。它的正极是镍。它的正极是镍铬合金铬合金(镍镍90.5%90.5%
15、，铬，铬9.5%)9.5%)，负极为镍硅，负极为镍硅(镍镍97.5%97.5%，硅，硅2.5%)2.5%)。测温范围为。测温范围为-200+1300200+1300。其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热。其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热电动势的稳定性较电动势大及价格低。缺点是热电动势的稳定性较B B型或型或S S型热电偶差。型热电偶差。3.3.镍铬镍铬-锰白铜热电偶锰白铜热电偶 这种热电偶分度号为这种热电偶分度号为“E”E”。它的正极是。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金镍铬合金，负极是铜镍合金(铜铜55%55%，镍，镍45%)45
16、%)。测温范围为。测温范围为-200+1000-200+1000。其特点是热电动势较其他常用热电偶大。其特点是热电动势较其他常用热电偶大。4.4.铂铑铂铑3030-铂铑铂铑6 6热电偶热电偶 这种热电偶分度号为这种热电偶分度号为“B B”。它的正极是。它的正极是铂铑丝铂铑丝(铂铂70%70%，铑，铑30%)30%)，负极也是铂铑丝，负极也是铂铑丝(铂铂94%94%，铑，铑6%)6%)，故俗称双铂铑。，故俗称双铂铑。测温范围为测温范围为0170001700。其特点是测温上限高。其特点是测温上限高。1.2112122 2 炉温控制炉温控制一、炉温控制系统一、炉温控制系统(一一)温度自动调节系统温度
17、自动调节系统炉温控制是指根据实际测量炉温对炉温控制是指根据实际测量炉温对给定温度的偏差，接通或断开供给给定温度的偏差，接通或断开供给炉子的炉子的热源能量热源能量，或连续改变热源，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定在给定温能量的大小，使炉温稳定在给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。度范围，以满足热处理工艺的需要。1.2212122 2 炉温控制炉温控制炉温自动调节系统组成方框图炉温自动调节系统组成方框图（二）（二）方框图：方框图：对于上图所示的自动控制系统，若能用一个简单对于上图所示的自动控制系统，若能用一个简单的方法表示，则将使设计、分析的工作大大简化且明了易懂。的方法表示，则将使设计、分
18、析的工作大大简化且明了易懂。1.2312122 2 炉温控制炉温控制二、温度自动控制分类二、温度自动控制分类热处理温度自动控制常用调节规律有：热处理温度自动控制常用调节规律有：位式（二位式、三位式）位式（二位式、三位式）比例比例比例积分比例积分比例积分微分等比例积分微分等电阻炉炉温控制是一个反馈调节过程，比较实际炉温和电阻炉炉温控制是一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。1.2412122 2 炉温控制炉温控制1 1、
19、炉温位式调节、炉温位式调节 炉温位式调节系炉温位式调节系统是目前国内工广泛使统是目前国内工广泛使用的一种炉温控制系统。用的一种炉温控制系统。它的特点是，结构简单、它的特点是，结构简单、使用方便、成本较低，使用方便、成本较低，但调节精度不高，被调但调节精度不高，被调参数波动较大，调节器参数波动较大，调节器因频繁动作容易损坏，因频繁动作容易损坏，且噪声较大，故有逐渐且噪声较大，故有逐渐被取代的趋势。被取代的趋势。位式调节属于断续位式调节属于断续式调节，它的最基本形式调节，它的最基本形式是二位式调节。式是二位式调节。二位式调节二位式调节-它只有开、关两种状态，当炉温低于给定值时它只有开、关两种状态，
20、当炉温低于给定值时调节器输出调节器输出“1”1”，执行器接通；当炉温高于给定值时，调节，执行器接通；当炉温高于给定值时，调节器输出器输出“0”0”，执行器断开。（执行器一般选用接触器），执行器断开。（执行器一般选用接触器）1.2512122 2 炉温控制炉温控制比例调节（比例调节（P调节）调节）-调节器的输出信号和偏差输入成比例。调节器的输出信号和偏差输入成比例。比例积分（比例积分（PI）调节调节-在比例调节中添加积分（在比例调节中添加积分（I）调节，）调节，积分调节是使调节器的输出信号与偏差对时间的积分成比积分调节是使调节器的输出信号与偏差对时间的积分成比例的调节规律。例的调节规律。比例积分
21、微分（比例积分微分（PID）调节调节-比例积分调节中引入微分（比例积分调节中引入微分（D）调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化比例，微分调节器在温度有变化“苗头苗头”时就有调节信号时就有调节信号输出，具有预见性，能产生超前的控制作用，在偏差还没输出，具有预见性，能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前有形成之前,已被微分调节作用消除。已被微分调节作用消除。输出信号是按与输入信号成什么运算规律而动作的。输出信号是按与输入信号成什么运算规律而动作的。1.26 微型计算机在热处理中的应用领域微型计算机在热处
22、理中的应用领域1 1、设计计算或计算机辅助设计（、设计计算或计算机辅助设计（CADCAD）设计计算的内容包括，平衡常数计算、化学热力学和化学设计计算的内容包括，平衡常数计算、化学热力学和化学动力学计算、热处理炉热平衡计算等。计算机辅助设计包括热动力学计算、热处理炉热平衡计算等。计算机辅助设计包括热处理设备设计和热处理车间设计等处理设备设计和热处理车间设计等。12123 3 热处理炉的计算机控制热处理炉的计算机控制 2 2、数据处理、预测工件热处理后的性能及数据库、数据处理、预测工件热处理后的性能及数据库 建立计算机热处理数据库，利用数据库文件可以将各种试建立计算机热处理数据库，利用数据库文件可
23、以将各种试验数据和资料输入数据库，各种工艺试验数据作出处理，并根验数据和资料输入数据库，各种工艺试验数据作出处理，并根据数据库内的数据预测工件热处理后的性能。据数据库内的数据预测工件热处理后的性能。3 3、热处理工艺过程控制、热处理工艺过程控制 建立热处理工艺过程的数学模型，利用计算机的控制能力，建立热处理工艺过程的数学模型，利用计算机的控制能力，对温度等参数和工序动作实行实时控制，或对热处理生产实行对温度等参数和工序动作实行实时控制，或对热处理生产实行全面控制和监测。全面控制和监测。1.27 4 4、集散控制计算机系统、集散控制计算机系统 可由一台中央计算机控制分散在各处的若干设备的可由一台
24、中央计算机控制分散在各处的若干设备的过程控制计算。完成对一个车间，甚至对整个工厂的计过程控制计算。完成对一个车间，甚至对整个工厂的计算机控制。这就可以实现计算机控制的全自动化车间和算机控制。这就可以实现计算机控制的全自动化车间和自动化工厂。自动化工厂。5 5、热处理试验研究的计算机仿真技术、热处理试验研究的计算机仿真技术 对提出的热处理工艺数学模型，通过微机数字仿真对提出的热处理工艺数学模型，通过微机数字仿真试验，预测试验结果，验证并修改数学：模型，进行最试验，预测试验结果，验证并修改数学：模型，进行最优化设计等。优化设计等。除上述而外，还可以利用计算机刘热处理生产的计除上述而外，还可以利用计算机刘热处理生产的计划、财务、材料消耗等实现计算机辅助管理以及用于数划、财务、材料消耗等实现计算机辅助管理以及用于数据库的自动翻译、论文摘要、情报检索等方面。据库的自动翻译、论文摘要、情报检索等方面。12123 3 热处理炉的计算机控制热处理炉的计算机控制1.28
