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通過熱電偶實現對加熱媒介的精準溫度控制的研究

來源:發表時間:2017-08-03 14:24:31

摘要: 論述的一種全自動加熱控溫裝置,是通過對液體加熱,然后將產品浸入液體中加工從而獲得合格的產品,是為適應自動化生產應用而研發的一種新型裝置,目的是滿足部分在生產過程上需要加熱并在理論目標溫度下保持一定時間,方可得到合理性能的產品而設計,該裝置溫度控制準確、精度高,操作人性化。主要是通過邏輯控制器 PLC 進行程序控制,步進電機對加熱介質進行攪拌,加熱媒介的溫度進一步均勻,通過熱電偶進行控制反饋,實現對加熱媒介的精準溫度控制。


引言

    加熱控溫裝置的應用范圍甚廣,與生產、生活息息相關。很多產品由原材料到產品的形成的生產過程需要對原材料加熱并對溫度加以控制,如某些由液態漿料經過加熱提煉后變成固態的一些電子產品的原材料;有很多高精度機械部件的裝配需要對部分配合工件進行加熱,如一些高精度主軸,就需要對軸承進行特定的溫度加熱或是對軸進行冷卻,通過人為因素改變零配件的短時公差,優化裝配條件,避免安裝時需要對零配件進行暴力擊打,從而損壞零配件;就連時下流行的所謂的分子美食,也是通過對食物在特定溫度下長時間地加熱而獲得。


    目前,大多企業對需要加熱保溫的生產環節采取的仍然是傳統的加熱方式,大多是采用簡單、粗暴而直接地通過發熱體對空氣、水、油等介質進行直接加熱的方式來對產品進行生產加工,但對溫度的控制卻缺乏有效手段,溫度控制效果差,漂移大,對溫度控制范圍要求嚴格的產品束手無策。該裝置的出現,可輕松地實現了對溫度的有效控制,幫助企業獲得有效的加工工藝,生產出更高性能更高質量的產品。


    加熱控溫裝置的研發背景和要求:市場潛力大,產品價格在上升,但對質量要求也在不斷提高,傳統的加工工藝已無法滿足要求,效率低下,用傳統的加工工藝生產,只能在一批產品里挑出質量較好的去銷售(合格率無法有效控制,全憑運氣),剩下的只能當次品出售,利潤無疑大打折扣,既造成嚴重的成本浪費,又損害了生產效益。因此企業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,為企業獲取更大的利潤,創造更大的價值。


1.加熱控溫裝置的系統構成以及基本結構和工作原理

1.1  裝置系統的構成:(如圖 1 )

1.2  裝置的基本結構(如圖 2)

    控制箱、機架、加熱桶、小車、電箱、步進電機、溢流槽。

1.3 : 工作原理:

    液體置于加熱桶內(產品浸入液體中),加熱桶底部的發熱體通過可編程邏輯控制器 PLC 控制,對液體進行加熱,步進電機帶動軸端的螺旋槳,對桶內液體進行攪拌,讓桶內溫度進一步得以均勻,桶內的熱電偶對液體溫度進行檢測并反饋,配合 PLC 控制發熱體的加熱時的功率釋放。


2 各機構的具體作用

2.1  制控箱

    控制箱包括:DI 智能工業調節器、電源指示燈、開機、關機和運行按鈕。

2.1.1 DI  智能工業調節器

    設定目標溫度和顯示實際溫度,并通過 PLC 根據不同的溫度變化對發熱體進行功率輸出控制,隨著溫度的變化,發熱體的輸出功率也隨之變化,達到了更好地控制溫度的同時,也達到了節能的目的。

2.1.2  電源指示燈

    于顯示裝置電源是否正常。

2.1.3  開機按鈕

    按下開機按鈕,裝置啟動,進入工作狀態。

2.1.4  關機按鈕

    按下關機按鈕,裝置整機處于停車狀態。

2.2  步進電機

    電機轉動(速度可根據需要自定義),帶動軸端的螺旋槳攪拌液體,促進液體溫度進一步均勻。

2.3  加熱桶:

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

2.4  電器箱

    用于安裝包括 PLC、可控硅和移相觸發器在內的所有控制電路,電路系統是否完善決定著整機運行的性能是否達到理論要求。

2.5  溢流槽

    用于承接液體由于加熱時熱時膨脹溢出而設,避免造成生產成本的浪費和環境的污染。


3 技術分析

3.1  傳統的加熱裝置的基本結構和工作原理

    如圖 3 所示,傳統的加熱裝置系統組成和結構相對簡單,也就意味著這樣的系統構成無法完成精細的溫度控制,發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,受熱介質溫度無法達到均勻,處于發熱體低部的介質溫度遠低于發熱體上方的溫度,而溫度傳感器無法遍布介質不同深度的每一個位置,所以無法有效監測介質溫度的實時變化;當溫度傳感器感知周圍的溫度并反饋到控制中樞時,發熱體附近的溫度已遠高于其他位置的溫度,由于分子運動的作用,當溫度均勻并達到設定值時,實際溫度已超出生產所需要的生產式藝溫度。反之,如果把傳感器裝得過于靠近發熱體,又會過早感知受熱介質的最高溫度,導致發熱體過早停止輸出,同樣無法達到生產工藝要求。

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控制。通常來說,可控硅有兩種不同的控制方式:過零觸發和移相觸發。過零觸發是在零電流或零電壓時關斷,目的主要是為了延長使用壽命而降低功耗;移相觸發則是通過調速電阻值來改變電容的充放電時間,從而改變晶體管的振蕩頻率,實際上是改變可控硅的觸發角大小。過零觸發雖然沒有移相觸發所產生的諧波問題,但是電流會有沖擊;而移相觸發的電流相對過零觸發來說更加穩定,雖然會產生諧波的干擾,影響同一電源網絡的其他精密控制設備,但只要做好諧波過濾,則可有效消除諧波對其他精密控制設備的影響。所以本裝置采用了可控硅的移相觸發控制,并結合 PLC 編程采用了一種近似于模糊控制的方式對發熱體進行控制。


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 步進電機、DI 智能工業儀表、可控硅模塊、移相觸發控制器、三相 380V 發熱體和溫度傳感器。


3.4  新型加熱控溫裝置的主要工作原理和技術分析

    在本裝置中,目的是對受熱介質加熱并對其溫度進行精細的控制。在電源接通時,裝置啟動,進入正常工作狀態,發熱體對受熱介質從常溫下開始加熱。由于發熱體采用移相觸發控制,而且電路的全個工作過程均采用模糊控制,所以在介質處于溫度較低的時候,發熱體的功率輸出是滿負荷的,以盡快讓介質溫度向設定值靠近,同時步進電機工作,對介質進行攪拌,介質保持低速運動,使得介質內部的溫度在整個加熱過程中基本保持均勻的狀態;而在介質溫度接近設定值時,可控硅的觸發角發生改變,從而改變了發熱體的輸出功率,PLC 的程序同時控制了發熱體的工作時間,此時的發熱體處于間歇工作的狀態。


    如上圖 4 所示,介質溫度越是接近設定值,發熱體的功率輸出越低,工作間歇時間越長,到達設定值時,發熱體停止輸出。


    要知道,能量守恒,所以受熱介質無法處于溫度恒定的狀態,所有跟它有接觸的東西都會造成它的熱損失,導致溫度降低,哪怕是跟空氣接觸也好。此時可以通過 DI 工業控制儀表的設定,給介質一個保溫區間,使得介質在低于某一溫度時啟動發熱體,而在高于某一溫度時讓發熱體停止工作。保溫區間可根據需要自定義,當然,設定的區間越小,對溫度傳感器的要求越高,(100±5)℃與(100±1)℃的概念是不一樣的,要完成更精細的溫度控制,電路方面就需要采用一個更靈敏、精度更高的溫度傳感器來進行溫度反饋。


    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溫度控制的質量。


結論

    本文對一種新型的加熱控溫裝置進行了論述。裝置的最大特點溫度控制準確、節能環保、有效提高生產效率和產品合格率。相對于傳統的加熱控制方式,本裝置對溫度精度的控制質量有了顯著的提高,可以對溫度進行精細的控制,避免在工作過程中,由于控制方式的不同,造成溫度過沖,超出了生產工藝的合理范圍。


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