通過熱電偶實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱媒介的精準(zhǔn)溫度控制的研究

： 論述的一種全自動(dòng)加熱控溫裝置，是通過對(duì)液體加熱，然后將產(chǎn)品浸入液體中加工從而獲得合格的產(chǎn)品，是為適應(yīng)自動(dòng)化生產(chǎn)應(yīng)用而研發(fā)的一種新型裝置，目的是滿足部分在生產(chǎn)過程上需要加熱并在理論目標(biāo)溫度下保持一定時(shí)間，方可得到合理性能的產(chǎn)品而設(shè)計(jì)，該裝置溫度控制準(zhǔn)確、精度高，操作人性化。主要是通過邏輯控制器 PLC 進(jìn)行程序控制，步進(jìn)電機(jī)對(duì)加熱介質(zhì)進(jìn)行攪拌，加熱媒介的溫度進(jìn)一步均勻，通過熱電偶進(jìn)行控制反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱媒介的精準(zhǔn)溫度控制。

引言

    加熱控溫裝置的應(yīng)用范圍甚廣，與生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。很多產(chǎn)品由原材料到產(chǎn)品的形成的生產(chǎn)過程需要對(duì)原材料加熱并對(duì)溫度加以控制，如某些由液態(tài)漿料經(jīng)過加熱提煉后變成固態(tài)的一些電子產(chǎn)品的原材料；有很多高精度機(jī)械部件的裝配需要對(duì)部分配合工件進(jìn)行加熱，如一些高精度主軸，就需要對(duì)軸承進(jìn)行特定的溫度加熱或是對(duì)軸進(jìn)行冷卻，通過人為因素改變零配件的短時(shí)公差，優(yōu)化裝配條件，避免安裝時(shí)需要對(duì)零配件進(jìn)行暴力擊打，從而損壞零配件；就連時(shí)下流行的所謂的分子美食，也是通過對(duì)食物在特定溫度下長(zhǎng)時(shí)間地加熱而獲得。

    目前，大多企業(yè)對(duì)需要加熱保溫的生產(chǎn)環(huán)節(jié)采取的仍然是傳統(tǒng)的加熱方式，大多是采用簡(jiǎn)單、粗暴而直接地通過發(fā)熱體對(duì)空氣、水、油等介質(zhì)進(jìn)行直接加熱的方式來對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)加工，但對(duì)溫度的控制卻缺乏有效手段，溫度控制效果差，漂移大，對(duì)溫度控制范圍要求嚴(yán)格的產(chǎn)品束手無策。該裝置的出現(xiàn)，可輕松地實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度的有效控制，幫助企業(yè)獲得有效的加工工藝，生產(chǎn)出更高性能更高質(zhì)量的產(chǎn)品。

    加熱控溫裝置的研發(fā)背景和要求：市場(chǎng)潛力大，產(chǎn)品價(jià)格在上升，但對(duì)質(zhì)量要求也在不斷提高，傳統(tǒng)的加工工藝已無法滿足要求，效率低下，用傳統(tǒng)的加工工藝生產(chǎn)，只能在一批產(chǎn)品里挑出質(zhì)量較好的去銷售（合格率無法有效控制，全憑運(yùn)氣），剩下的只能當(dāng)次品出售，利潤(rùn)無疑大打折扣，既造成嚴(yán)重的成本浪費(fèi)，又損害了生產(chǎn)效益。因此企業(yè)需要一款性能可靠高效的加熱控溫裝置來解決上述問題，從而降低成本，提高效率，為企業(yè)獲取更大的利潤(rùn)，創(chuàng)造更大的價(jià)值。

1.加熱控溫裝置的系統(tǒng)構(gòu)成以及基本結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1   裝置系統(tǒng)的構(gòu)成：（如圖 1 ）

1.2   裝置的基本結(jié)構(gòu)（如圖 2）

    控制箱、機(jī)架、加熱桶、小車、電箱、步進(jìn)電機(jī)、溢流槽。

1.3 ： 工作原理：

    液體置于加熱桶內(nèi)（產(chǎn)品浸入液體中），加熱桶底部的發(fā)熱體通過可編程邏輯控制器 PLC 控制，對(duì)液體進(jìn)行加熱，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)軸端的螺旋槳，對(duì)桶內(nèi)液體進(jìn)行攪拌，讓桶內(nèi)溫度進(jìn)一步得以均勻，桶內(nèi)的熱電偶對(duì)液體溫度進(jìn)行檢測(cè)并反饋，配合 PLC 控制發(fā)熱體的加熱時(shí)的功率釋放。

2 各機(jī)構(gòu)的具體作用

2.1   制控箱

    控制箱包括：DI 智能工業(yè)調(diào)節(jié)器、電源指示燈、開機(jī)、關(guān)機(jī)和運(yùn)行按鈕。

2.1.1 DI   智能工業(yè)調(diào)節(jié)器

    設(shè)定目標(biāo)溫度和顯示實(shí)際溫度，并通過 PLC 根據(jù)不同的溫度變化對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行功率輸出控制，隨著溫度的變化，發(fā)熱體的輸出功率也隨之變化，達(dá)到了更好地控制溫度的同時(shí)，也達(dá)到了節(jié)能的目的。

2.1.2   電源指示燈

    于顯示裝置電源是否正常。

2.1.3   開機(jī)按鈕

    按下開機(jī)按鈕，裝置啟動(dòng)，進(jìn)入工作狀態(tài)。

2.1.4   關(guān)機(jī)按鈕

    按下關(guān)機(jī)按鈕，裝置整機(jī)處于停車狀態(tài)。

2.2   步進(jìn)電機(jī)

    電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)（速度可根據(jù)需要自定義），帶動(dòng)軸端的螺旋槳攪拌液體，促進(jìn)液體溫度進(jìn)一步均勻。

2.3   加熱桶：

    用于盛放液體或水等受熱介質(zhì)和產(chǎn)品，從而對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加熱處理，確保產(chǎn)品在理想的溫度下進(jìn)行加工，達(dá)到要求的性能。由于不銹鋼導(dǎo)熱性能差，這反更加有利于液體保溫，所以采用不銹鋼 304材質(zhì)，外面用硅酸鋁保溫材料包履（同時(shí)包履住的還有發(fā)熱體），確保將熱損失降到最低，提高效能，節(jié)約成本的同時(shí)起到安全保護(hù)的作用。

2.4   電器箱

    用于安裝包括 PLC、可控硅和移相觸發(fā)器在內(nèi)的所有控制電路，電路系統(tǒng)是否完善決定著整機(jī)運(yùn)行的性能是否達(dá)到理論要求。

2.5   溢流槽

    用于承接液體由于加熱時(shí)熱時(shí)膨脹溢出而設(shè)，避免造成生產(chǎn)成本的浪費(fèi)和環(huán)境的污染。

3 技術(shù)分析

3.1   傳統(tǒng)的加熱裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

    如圖 3 所示，傳統(tǒng)的加熱裝置系統(tǒng)組成和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，也就意味著這樣的系統(tǒng)構(gòu)成無法完成精細(xì)的溫度控制，發(fā)熱體功率釋放基本恒定，只要接通電源，基本都是全功率輸出。加熱時(shí)，受熱介質(zhì)溫度無法達(dá)到均勻，處于發(fā)熱體低部的介質(zhì)溫度遠(yuǎn)低于發(fā)熱體上方的溫度，而溫度傳感器無法遍布介質(zhì)不同深度的每一個(gè)位置，所以無法有效監(jiān)測(cè)介質(zhì)溫度的實(shí)時(shí)變化；當(dāng)溫度傳感器感知周圍的溫度并反饋到控制中樞時(shí)，發(fā)熱體附近的溫度已遠(yuǎn)高于其他位置的溫度，由于分子運(yùn)動(dòng)的作用，當(dāng)溫度均勻并達(dá)到設(shè)定值時(shí)，實(shí)際溫度已超出生產(chǎn)所需要的生產(chǎn)式藝溫度。反之，如果把傳感器裝得過于靠近發(fā)熱體，又會(huì)過早感知受熱介質(zhì)的最高溫度，導(dǎo)致發(fā)熱體過早停止輸出,同樣無法達(dá)到生產(chǎn)工藝要求。

3.2   新型加熱控溫裝置控制電路的分析

    在新型的加熱溫度控制裝置中，采用了可控硅作為觸發(fā)控制。通常來說，可控硅有兩種不同的控制方式：過零觸發(fā)和移相觸發(fā)。過零觸發(fā)是在零電流或零電壓時(shí)關(guān)斷，目的主要是為了延長(zhǎng)使用壽命而降低功耗；移相觸發(fā)則是通過調(diào)速電阻值來改變電容的充放電時(shí)間，從而改變晶體管的振蕩頻率，實(shí)際上是改變可控硅的觸發(fā)角大小。過零觸發(fā)雖然沒有移相觸發(fā)所產(chǎn)生的諧波問題，但是電流會(huì)有沖擊；而移相觸發(fā)的電流相對(duì)過零觸發(fā)來說更加穩(wěn)定，雖然會(huì)產(chǎn)生諧波的干擾，影響同一電源網(wǎng)絡(luò)的其他精密控制設(shè)備，但只要做好諧波過濾，則可有效消除諧波對(duì)其他精密控制設(shè)備的影響。所以本裝置采用了可控硅的移相觸發(fā)控制，并結(jié)合 PLC 編程采用了一種近似于模糊控制的方式對(duì)發(fā)熱體進(jìn)行控制。

3.3   新型加熱控溫裝置控制電路主要的配件選型

    出于電路控制的需要，本裝置主要選用如下電器配件：PLC、42 步進(jìn)電機(jī)、DI 智能工業(yè)儀表、可控硅模塊、移相觸發(fā)控制器、三相 380V 發(fā)熱體和溫度傳感器。

3.4   新型加熱控溫裝置的主要工作原理和技術(shù)分析

    在本裝置中，目的是對(duì)受熱介質(zhì)加熱并對(duì)其溫度進(jìn)行精細(xì)的控制。在電源接通時(shí)，裝置啟動(dòng)，進(jìn)入正常工作狀態(tài)，發(fā)熱體對(duì)受熱介質(zhì)從常溫下開始加熱。由于發(fā)熱體采用移相觸發(fā)控制，而且電路的全個(gè)工作過程均采用模糊控制，所以在介質(zhì)處于溫度較低的時(shí)候，發(fā)熱體的功率輸出是滿負(fù)荷的，以盡快讓介質(zhì)溫度向設(shè)定值靠近，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)工作，對(duì)介質(zhì)進(jìn)行攪拌，介質(zhì)保持低速運(yùn)動(dòng)，使得介質(zhì)內(nèi)部的溫度在整個(gè)加熱過程中基本保持均勻的狀態(tài)；而在介質(zhì)溫度接近設(shè)定值時(shí)，可控硅的觸發(fā)角發(fā)生改變，從而改變了發(fā)熱體的輸出功率，PLC 的程序同時(shí)控制了發(fā)熱體的工作時(shí)間，此時(shí)的發(fā)熱體處于間歇工作的狀態(tài)。

    如上圖 4 所示，介質(zhì)溫度越是接近設(shè)定值，發(fā)熱體的功率輸出越低，工作間歇時(shí)間越長(zhǎng)，到達(dá)設(shè)定值時(shí)，發(fā)熱體停止輸出。

    要知道，能量守恒，所以受熱介質(zhì)無法處于溫度恒定的狀態(tài)，所有跟它有接觸的東西都會(huì)造成它的熱損失，導(dǎo)致溫度降低，哪怕是跟空氣接觸也好。此時(shí)可以通過 DI 工業(yè)控制儀表的設(shè)定，給介質(zhì)一個(gè)保溫區(qū)間，使得介質(zhì)在低于某一溫度時(shí)啟動(dòng)發(fā)熱體，而在高于某一溫度時(shí)讓發(fā)熱體停止工作。保溫區(qū)間可根據(jù)需要自定義，當(dāng)然，設(shè)定的區(qū)間越小，對(duì)溫度傳感器的要求越高，（100±5）℃與（100±1）℃的概念是不一樣的，要完成更精細(xì)的溫度控制，電路方面就需要采用一個(gè)更靈敏、精度更高的溫度傳感器來進(jìn)行溫度反饋。

    本裝置溫度控制的精度除了配件精度的選定和工作模式的設(shè)定外，PLC 控制程序的編寫也很重要，這幾方面直接決定了裝置整體對(duì)溫度控制的質(zhì)量。

結(jié)論

    本文對(duì)一種新型的加熱控溫裝置進(jìn)行了論述。裝置的最大特點(diǎn)溫度控制準(zhǔn)確、節(jié)能環(huán)保、有效提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率。相對(duì)于傳統(tǒng)的加熱控制方式，本裝置對(duì)溫度精度的控制質(zhì)量有了顯著的提高，可以對(duì)溫度進(jìn)行精細(xì)的控制，避免在工作過程中，由于控制方式的不同，造成溫度過沖，超出了生產(chǎn)工藝的合理范圍。