温度检测与控制实验系统论文正稿.docx
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温度检测与控制实验系统论文正稿
温度检测与控制实验系统设计
设计任务
1、设计参数
被测温度1200。
C，最大误差不超过±1。
C
2、设计要求
（1）被控对象为小型加热炉，供电电压220VAC，功率2kW，用可控硅控制加热炉温度；
（2）通过查阅相关设备手册或上网查询，选择温度传感器、调节器、加热炉控制器等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；
（3）设备选型要有一定的理论计算；
（4）用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；
（5）列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等。
课程设计评语
设计报告成绩
（30%）
设计过程成绩
（30%）
答辩成绩
（40%）
总成绩
摘要
本文介绍了一个简单的温度检测与控制系统的设计。
该系统的被控对象为小型加热炉，供电电压为220VAC，功率2KW，被测温度1200度，误差不超过±1℃。
本设计通过热电偶测量加热炉内液体的温度，将热电偶的输出信号直接传输到调节器，该调节器内部集成有变送器，并且可设定给定温度值，本实验为1200度。
调节器将偏差信号输出到可控硅调功器，可改变晶闸管导通时间，从而调节输出平均电压的大小，实现加热炉温度的控制。
关键词:
热电偶调节器可控硅调功器
第一章前言
温度是生活及生产中最基本的物理量，它表征的是物体的冷热程度。
自然界中任何物理、化学过程都紧密的与温度相联系。
在很多生产过程中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术指标相联系。
因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。
在实际的生产实验环境下，由于系统内部与外界的热交换是难以控制的，其他热源的干扰也是无法精确计算的，因此温度量的变化往往受到不可预测的外界环境扰动的影响。
为了使系统与外界的能量交换尽可能的符合人们的要求，就需要采取其他手段来达到这样一个绝热的目的，例如可以让目标系统外部环境的温度与其内部温同步变化。
根据热力学第二定律，两个温度相同的系统之间是达到热平衡的，这样利用一个与目标系统温度同步的隔离层，就可以把目标系统与外界进行热隔离。
另外，在大部分实际的环境中，增温要比降温方便得多。
因此，对温度的控制精度要求比较高的情况下，是不允许出现过冲现象的，即不允许实际温度超过控制的目标温度。
特别是隔热效果很好的环境，温度一旦出现过冲，将难以很快把温度降下来。
这是因为很多应用中只有加热环节，而没有冷却的装置。
同样道理，对于只有冷却没有加热环节的应用中，实际温度低于控制的目标温度，对控制效果的影响也是很大的。
第二章设备选型
2.1温度传感器
求测温度1200度，误差不超过±1℃，所以决定了只能用铂铑等贵金属材料热电偶。
HAKK-WRR系列铂铑热电偶是一种传统的测温元件，具有热电性能稳定、抗氧化性强，适宜在氧化性、惰性气氛中连续使用。
长期使用温度为1600℃，短期使用温度为1800℃。
有纸记录仪其技术指标如下：
1、测温范围：
0~1800℃
2、测温精度：
<±0.5%t
3、时间常数：
≤180s
4、绝缘电阻：
5MΩ（20℃时）
5、规格尺寸：
500，750，1000，1200（mm）
HAKK-WRR系列铂铑热电偶又称高温贵金属热电偶，铂铑有单铂铑（铂铑10-铂铑）和双铂铑（铂铑30-铂铑6）之分，它们作为温度测量传感器,通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用,组成过程控制系统，用以直接测量或控制各种生产过程中0-1800℃范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等温度。
铂铑热电偶为贵金属热电偶。
偶丝直径规定为0.5mm，允许偏差-0.015mm，其正极（BP）的名义化学成分为铂铑合金，其中含铑为30%，含铂为70%，负极（BN）为铂铑合金，含铑为量6%，故俗称双铂铑热电偶。
该热电偶长期最高使用温度为1600℃，短期最高使用温度为1800℃。
优点:
铂铑热电偶在热电偶系列中具有准确度最高，稳定性最好，测温温区宽，使用寿命长，测温上限高等优点。
适用于氧化性和惰性气氛中，也可短期用于真空中，但不适用于还原性气氛或含有金属或非金属蒸气气氛中。
B型热电偶一个明显的优点是不需用补偿导线进行补偿，因为在0~50℃范围内热电势小于3μV。
缺点:
铂铑热电偶不足之处是热电势，热电势率较小，灵敏读低，高温下机械强度下降，对污染非常敏感，贵金属材料昂贵，因而一次性投资较大。
铂铑热电偶的工作原理是铂铑热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路时,当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热电流。
如果热电偶的工作端与参比端存在有温差时，显示仪表将会批示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。
基于测温精度要求很高，所以选择s型热电偶，即铂铑-10铂型热电偶。
由表格知，当选择Ｉ级s型热电偶时，其测温等级可以达到±1℃.本设计选择铂铑-铂WRP系
列热电偶。
名称
分度号
允差等级
Ⅰ级
Ⅱ级
允差值
测温范围℃
允差值
测温范围℃
铂铑10—铂
WRS或WRP
WRS或WRPK
S
±1℃或
±（1+（t-1100）*0.003）
0~1300
±1.5℃
或
±0.25﹪
0~1300
表一允差等级表
型号
分度号
测温范围℃
保护管材料
热响应时间
规 格
d
Lxl
WRP-130
WRP2-130
S
0-1300
高铝质
＜150S
Φ16
300x150
350x200
400x250
450x300
550x400
650x500
900x750
1150x1000
1650x1500
2150x2000
WRP-131
WRP2-131
＜360S
Φ25
WRQ-130
WRQ2-130
R
0-1300
＜150S
Φ16
WRQ-131
WRQ2-131
＜360S
Φ25
WRR-130
WRR2-130
B
0-1600
刚玉管
＜150S
Φ16
WRR-131
WRR2-131
＜360S
Φ25
表二型号及规格
应系统要求，可选择WRP-130，热响应时间小于150s的Ｉ级热电偶。
2.2调节器
本设计采用数字调节器，内集成有变送器，可直接接热电偶，将调节后的信号转换为4-20MA或1-5V的标准信号输出。
数字调节器具有如下一些优点。
（1）功能丰富——调节灵活方便，在相同硬件配置下利用程序可实现多种功能。
（软件实现）
（2）自诊断功能——可在运行中及时发现自身故障，避免误侧误控。
（3）数据通信功能——可组网增加信息量，扩大传输距离，易于集中监测。
（数据总线）
（4）高性价比——在尺寸、功耗、价格方面相对模拟仪表具有明显优势。
本设计选择SPLC型数字指示调节器，其规格说明如下：
1.构成：
正面板：
图一正面板
侧面板（调整版）：
图二侧面板
2.主要功能
（1）指示、给定、操作功能
（2）控制功能：
包括PV上/下限报警、输入补偿、输出跟踪等
（3）运算功能：
包括基本运算、带设备编号的运算、条件判断、寄存器移位。
（4）程序功能：
主程序—99步，子程序—99步，最多可有30个子程序。
设备—编程器SPRG，语言—POL语言，低速扫描（周期为0.2s），最多执行240步。
高速扫描（周期为0.1s），最多执行66步。
（5）通信功能：
SLPC调节器和SCMS运算站的通信还有与上位机的通信。
（6）停电处理功能
（7）自诊断功能
3.结构图
图三结构图
（1）CPU采用8位微处理器8085A，10MHZ、0.2s控制周期（最多可运行240步）。
（2）系统软件和用户程序存入内部32KEPROM。
（3）现场设定数据及中间结果存入内部2KRAM。
（4）5个模拟输入端，可以同时接受5路1~5V直流电平信号。
（5）3个模拟输出端，1路4~20mA电流输出驱动执行器，2路1~5V联络信号。
（6）6个开关量输入/输出端，利用三态门电路切换输入、输出方式。
2.3执行器
根据系统要求执行器选择可控硅调功器。
可控硅调功器就是一种以可控硅（晶闸管）为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器。
BHC6M-1三相通用型可控硅调压器是移相型的电力控制器，其核心部件采用国外生产的高性能、高可靠性的军品级可控硅触发专用集成电路。
输出触发脉冲具有极高的对称性及稳定性，且不随环境温度变化，使用中不需要对脉冲对称度及限位进行调整。
现场调试一般不需要示波器即可完成。
它可广泛的应用于工业各领域的电压电流调节，适用于电阻性负载、电感性负载、变压器一次侧及各种整流装置等。
主要应用领域：
盐浴炉、工频感应炉、淬火炉温控；热处理炉温控；玻璃生产过程温控；金刚石压机加热；大功率充磁/退磁设备；半导体工业舟蒸发源；航空电源调压；真空磁控溅射电源；纺织机械；水晶石生产；粉末冶金机械；隧道电窑集散温控系统；彩色显像管生产设备；冶金机械设备；交直流电机拖动；石油化工机械；电压、电流、功率、灯光等无级平滑调节，恒压恒流恒功率控制等领域。
1.特点
可用于主电路电源为1~450V、电源频率为50HZ/60HZ电网，特殊电压要求可定制（AC1V~2400V）。
同步电压范围宽AC1V~AC2400V。
采用移相式触发方式、适用于阻性负载、感性负载、变压器一次侧等各种负载类型。
能与国内外各种控制仪表、微机的输出信号直接接口。
一台仪表可以同时控制多台触发板。
具有软启动功能，减少对电网的冲击干扰，使主电路更加安全可靠。
脉冲输出对称度小于0.1度。
2.正常使用条件
海拔不超过2000米。
工作环境温度-30℃~55℃。
空气最大相对湿度不超过90%。
运行地点无导电及爆炸性尘埃，无腐蚀金属及破坏绝缘的气体或蒸汽。
无剧烈震动和冲击
3.技术规格
额定输入电压
三相380V、50/60Hz特殊电压要求可定制
输入电压范围
额定输入电压的15%
可触发可控硅额定电流
5A~20000A
负载性质
阻性、一般感性、纯感性、变压器一次侧、二次侧、电感线圈等大电感负载
输入控制信号
14~20mA②0~10Ma③0~5V④1~5V⑤0~10v
手动电位器控制
过流保护
输出电流≥1.8倍额定值时，10ms内截止输出
响应速度
半个周波之内10ms
可控硅过热保护
装置温度≥75℃时，截止输出
控制电源功率
≤10W
软启动时间（可变）
0~60S
最大外型尺寸
272×147×35mm
4.接线端子说明及所对应主电路接线：
图四接线图
5.组合接线方式：
手动自动切换控制方式手动控制方式自动控制方式
图五接线方式图
6.主电路接线图：
图六三相交流调压接线图（负载△形接法）
图七三相交流调压接线图（负载星形接法）
图八三相全控桥式整流电路接线图
图九三相半控桥式共阴极整流电路接线图
图十三相半控桥式共阳极整流电路接线图
7.三相交流焊机变压器原边控制：
图十一三相交流焊机变压器
8.三相双反星型电焊机控制
图十二三相双反星型电焊机
第四章系统结构图
图十三系统结构图
本系统中，检测单元为热电偶，调节器为集成变送器的数字调节器，执行器为可控硅调功器，被控对象为加热炉，被控参数为温度。
第五章总结
本课程设计设计了一个温度检测与控制系统。
本次课程设计通过一个实际课题给了我一个理论联系实际的机会，锻炼了自己的设计能力，帮助了的正确的设计思想。
通过这次设计还使我学会了充分发挥自己的主观能动性，运用所学过的知识及上网查资料来解决实际问题。
提高了自己的实际动手能力、综合实验技能以及独立进行工程设计和科学实验的能力，对于培养自己严谨的科学作风也是一个极好的锻炼。
另外，本次课程设计也为我今后的毕业设计奠定了基础，是建立良好设计思路的开始。
感谢老师给我这次锻炼的机会，使我受益匪浅。
参考文献
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清华大学出版社，2005 【2】黄泽铣编著. 热电偶原理及其检定．北京：
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中国计量出版社，2003
【4】游伯坤编著．温度测量仪表．北京：
机械工业出版社 1982 【5】吴勤勤编著．控制仪器及装置．北京：
化学工业出版社，2002
【6】严钟毫、谭祖根编著．非电量电测技术．北京：
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同济大学出版社，1992 【10】夏焕彬编著．过程控制仪表及装置．北京：
兵器工业出版社，1991 【11】张永德编著．过程控制装置．北京：
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化学工业出版社，1999
【13】吴勤勤，季建华等编著．智能仪表原理、设计及调试．上海：
华东理工大学出版社，1994
【14】徐春山等编著．过程控制仪表．北京：
冶金工业出版社，1995
【15】明赐东．调节阀计算、选型与使用．成都：
成都科技大学出版社，1999
附录一：
开设试验
（一）温度检测与控制系统性能的测试及分析
1实验目的
（1）了解温度检测与控制系统的原理及使用方法
（2）学会对温度检测与控制系统的性能测试
2实验要求
实验要求通过测试加热到一定温度时需要的时间来反应系统的响应速度，通过观察系统受到干扰后恢复稳定的能力来反应系统的稳定性，干扰信号通过调节给定温度来模拟。
3实验步骤
（1）将系统接上220V交流电源并开启系统
（2）设定调节器的给定温度为1200度，让加热炉开始加温，同时并记录加热到1200度时所用时间t。
（3）把调节器给定温度分别设定为1180度、1160度、1140度、1120度，观察系统能否恢复稳定性并记录恢复稳定性所需要的时间。
（二）绘制温度检测与控制系统的温度时间曲线
1实验目的
（1）了解控制系统对温度的调节过程
（2）学会通过实验的方法绘制系统的一些特性曲线
（3）进一步了解温度控制系统的内部结构及工作原理
2实验要求
（1）实验中需要用秒表来计时，故时间的把握必须准确
（2）画出温度时间的曲线
3实验步骤
（1）根据连线图将系统搭建出来
（2）接通电源，让系统运行起来
（3）从温度100度开始计时，每隔100度记一下时间，记录在实验后的表格中
（4）根据实验数据画出温度时间的曲线
（5）写实验报告，分析系统特性
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