温度检测与控制实验系统设计.docx

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温度检测与控制实验系统设计

任务书

设计参数：

被测温度1200℃，最大误差不超过±1℃，

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%）

口试成绩

（40%）

总成绩

一摘要

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。

调节器将偏差信号变为标准的4—20MA或1—5v电信号。

该信号输出到调功器，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。

经验证此控制器的性能指标达到要求。

二系统框图

调节器

执行器

对象

检测单元

PV

SP+

被控参数

--

本系统中，检测单元热电偶，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。

三设备选型

1热电偶

热电偶要求测温度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。

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。

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

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。

高温贵金属（铂铑）热电偶

1、应用

 适用于各种生产过程中高温场合，广泛应用于玻璃及陶瓷及工业盐浴炉等测温。

2、主要技术参数

 电气出口：

M20x1.5,NPT1/2

 精度等级：

I、II

 防护等级：

IP65

 偶丝直径：

Φ0.5

 公称压力：

常压

3、型号及规格

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

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。

数字式PID调节器采用了先进的嵌入式微处理器，结构紧凑，功能强；采用遵守CAN2.0A协议的82C250和SJA1000芯片，数据通信快递精确，全数字化，全分散，全开放；具有广泛的适用性，温控范围可达0—1600℃：

精度高，最小可以采样2uV的信号；使用了独立的RAM存储器，各种参数可以随时修改和保存：

面板上设有按键和LED显示屏，可以实时地监测、更改各个参数，操作简单，工作可靠。

本设计选择SDC40A数字指示调节器，其规格说明如下：

SDC40A数字指示调节器

SDC40A小型（96mm×96mm）数字指示调节器是一种高精度指示调节器，可接受热电偶、热电阻、直流电压、直流电流的输入信号并对其进行控制。

规格表

一般功能

记忆材料

半导体不挥发性存储器

电源

85～264VAC,50/60Hz

消耗功率

25VAmax

环境温度

0～50℃

环境湿度

10～90%RH（无结露）

重量

约750g

PV输入（PV1）

类型

热电偶,热电阻,直流电压/电流（国际标准）

采样周期

0.1S

精度

±0.1%FS

偏置

-1000～+1000U（U:

工程单位）

（PV2）

类型

4～20mACC,1～5VDC

指示设定

PV,SP指示

5位7段LED

功能指示

2位7段LED

柱状LED

MV,OK指示,事件指示,RSW监视

设定点数

1或8点可选

量程

可选择

SP限制

下限:

-1999～上限    上限:

下限～26000

控制输出

PID参数组

8（（3D/AK/5K/9K/BK:

4点冷却,4点加热）

PID自动整定

普通自整定/人工神经原+模糊推论整定/智能整定

输出限幅

下限:

0～上限   上限:

下限～100%

变化率限制

0.1～10.0%/100ms

作用方式

正/反作用可选择

SP斜坡

0～26000,单位:

/h,0.1h./min,0.1/min

远程开关RSW输入

通道数

4或12

功能

NOP,READY/RUN,AUTO/MANUAL,REMOTEL/LOCALAT启/停,正/反作用,SP选择（PID参数同时）,MV固定输出输入2的比例号选择,计算机的馈方式1/2

事件EV输入

类型

集电极开路干接点

点数

2（标准型）,3或8（选项）

类型

PV,SP,DEV,|DEV|,MV,MFB（马达位置）,ALarm,回路诊断

输出型式

ON/OFSPST接点

辅助输出（AUX）

回路数

1或2（2G/3D/AK/5K/9K/BK型:

1点）

输出功能

PV,SP,DEV,RSP,MV,MFB

信号

4～20mAbc（负载电阻680Ωmax）

通讯功能

RS-485

附件（单独订货）

硬防尘盖

软防尘盖

端子盖

选型表

序号

选型表

说明

Ⅰ

基本型号

C40A

数字指示调节器

Ⅱ

控制输出

0D

时间比例PID,接点容量:

250VAC,5A（阻性负载）

6D

时间比例PID,电压:

22.5VDC±10%

2G

位置比例PID（M/M驱动继电器,接点容量250VAC）

5G

连续比例PID（4～20mA）

3D

加热/冷却输出,继电器输出+继电器输出

AK

加热/冷却输出,继电器输出+电流输出

5K

加热/冷却输出,电流输出+电流输出

9K

加热/冷却输出.继电器输出+电压输出

BK

加热/冷却输出,电流输出+电压输出

Ⅲ

功能

0

标准型

1

外给定型

2

内部串级型

Ⅳ

电源

AS

90～264VAC,50/60Hz

Ⅴ

选项

（1）

00

无选择

01

4点RSW

02

增加1SPDT事迹

03

4点PSW+1点SPDT

04

4点RSW+1点AUX

05

1点SPDT+1点AUX

06

4点RSW+1SPDT+1点AUX

07

4点RSW+2点AUX

08

1点SPDT+2点AUX

09

4点RSW+1点SPDT+2点AUX

Ⅵ

选项

（2）

0

无选择

1

8点RSW+5点事件（集电极开路输出）

2

8点RSW+事件（集电极开路输出）+RS485

Ⅶ

选项（3）

00

无选择

D0

附测试报告书

T0

热带处理

注:

1）选项

（1）的2点辅助输出不能用于2G/3D/AK/5K/9K/BK选型   

  2）选项

（1）选项

（2）的组合见下表

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。

简称可控硅调功器。

又称调功器、可控硅调压器、电力调整器、电压调整器、晶闸管调压器、晶闸管调功器、晶闸管调整器、调压器、晶闸管控制器、晶闸管交流电力控制器、可控硅调整器、可控硅控制器、电力控制器、可控硅交流电力控制器、电压控制器等。

具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。

目前可控硅调功器主要有两种工作方式,一种是移相触发工作方式,另一种是过零触发工作方式.

（1）.移相触发工作方式:

　　利用数字电路或模拟电路,根据输入控制信号,计算出可控硅触发控制角,并在过零后进行延时触发.

（2）.过零触发工作方式:

过零触发工作方式通常分为二种,第一种是定周期过零控制,即在一个设定周期内利用通断比例控制输出功率大小；第二种是变周期过零控制,该工作方式下,输出电压对负载冲击小。

设计中选择的调功器信息如下：

Kt16P系列单相可控硅调压器/调功器

（1）功能概述

Kt16P系列单相可控硅调压器/调功器是具有高度智能化的新型功率控制设备，集移相调压型和变周期过零调功型两种触发方式于一体，通过外部转换开关可在两种触发方式之间任意转换,所以既可以做调压器也可以做调功器。

触发板采用CPU控制，并具有看门狗保护，输出全部采取隔离技术，可控硅采用德国原装进口模块，过载能力强，可靠性高。

设置方便，接线简单，具有多种保护功能。

其有斜率调整、缓起动、缓关断、电流限制、过流保护，散热器超温保护等功能，与智能温度控制仪表连接，实现温度的自动控制，适应于感性负载、阻性负载及各种电加热设备。

（2）技术规格

◆控制输入信号

电流输入：

4-20mADC，输入阻抗：

120Ω

电压输入（订货时申明）

◆电源电压：

220VAC频率50HZ（380VAC订货申明）

◆冷却方式：

100A及以上强制风冷，50A及以下自然冷却

◆调节输出范围：

（0-100%）UsUs为电源电压

◆采样周期控制输入信号：

10次/每秒负载电流：

50次/每秒

◆报警继电器触点容量：

220VAC1A（阻性）

◆运行环境

周围温度范围：

-10℃～50℃

周围湿度：

≤90%RH

海拔高度：

超过1000米因空气密度减小应降额使用

◆绝缘阻抗：

最小20MΩ1000VDC

◆绝缘体强度：

2500VAC1分钟

◆手动调节电位器：

10KΩ/2W

（3）功能设定

1）P1电位器

P1电位器是前置放大电位器，目的是将4-20mADC转换为0-5VDC，出厂已设置好，无需设置