通过热电偶实现对加热媒介的精准温度控制的研究

摘要： 论述的一种全自动加热控温装置，是通过对液体加热，然后将产品浸入液体中加工从而获得合格的产品，是为适应自动化生产应用而研发的一种新型装置，目的是满足部分在生产过程上需要加热并在理论目标温度下保持一定时间，方可得到合理性能的产品而设计，该装置温度控制准确、精度高，操作人性化。主要是通过逻辑控制器 PLC 进行程序控制，步进电机对加热介质进行搅拌，加热媒介的温度进一步均匀，通过热电偶进行控制反馈，实现对加热媒介的精准温度控制。

引言

    加热控温装置的应用范围甚广，与生产、生活息息相关。很多产品由原材料到产品的形成的生产过程需要对原材料加热并对温度加以控制，如某些由液态浆料经过加热提炼后变成固态的一些电子产品的原材料；有很多高精度机械部件的装配需要对部分配合工件进行加热，如一些高精度主轴，就需要对轴承进行特定的温度加热或是对轴进行冷却，通过人为因素改变零配件的短时公差，优化装配条件，避免安装时需要对零配件进行暴力击打，从而损坏零配件；就连时下流行的所谓的分子美食，也是通过对食物在特定温度下长时间地加热而获得。

    目前，大多企业对需要加热保温的生产环节采取的仍然是传统的加热方式，大多是采用简单、粗暴而直接地通过发热体对空气、水、油等介质进行直接加热的方式来对产品进行生产加工，但对温度的控制却缺乏有效手段，温度控制效果差，漂移大，对温度控制范围要求严格的产品束手无策。该装置的出现，可轻松地实现了对温度的有效控制，帮助企业获得有效的加工工艺，生产出更高性能更高质量的产品。

    加热控温装置的研发背景和要求：市场潜力大，产品价格在上升，但对质量要求也在不断提高，传统的加工工艺已无法满足要求，效率低下，用传统的加工工艺生产，只能在一批产品里挑出质量较好的去销售（合格率无法有效控制，全凭运气），剩下的只能当次品出售，利润无疑大打折扣，既造成严重的成本浪费，又损害了生产效益。因此企业需要一款性能可靠高效的加热控温装置来解决上述问题，从而降低成本，提高效率，为企业获取更大的利润，创造更大的价值。

1.加热控温装置的系统构成以及基本结构和工作原理

1.1  装置系统的构成：（如图 1 ）

1.2  装置的基本结构（如图 2）

    控制箱、机架、加热桶、小车、电箱、步进电机、溢流槽。

加热控温装置结构加热控温装置外观

1.3 ： 工作原理：

    液体置于加热桶内（产品浸入液体中），加热桶底部的发热体通过可编程逻辑控制器 PLC 控制，对液体进行加热，步进电机带动轴端的螺旋桨，对桶内液体进行搅拌，让桶内温度进一步得以均匀，桶内的热电偶对液体温度进行检测并反馈，配合 PLC 控制发热体的加热时的功率释放。

2 各机构的具体作用

2.1  制控箱

    控制箱包括：DI 智能工业调节器、电源指示灯、开机、关机和运行按钮。

2.1.1 DI  智能工业调节器

    设定目标温度和显示实际温度，并通过 PLC 根据不同的温度变化对发热体进行功率输出控制，随着温度的变化，发热体的输出功率也随之变化，达到了更好地控制温度的同时，也达到了节能的目的。

2.1.2  电源指示灯

    于显示装置电源是否正常。

2.1.3  开机按钮

    按下开机按钮，装置启动，进入工作状态。

2.1.4  关机按钮

    按下关机按钮，装置整机处于停车状态。

2.2  步进电机

    电机转动（速度可根据需要自定义），带动轴端的螺旋桨搅拌液体，促进液体温度进一步均匀。

不锈钢导热性能

2.3  加热桶：

    用于盛放液体或水等受热介质和产品，从而对产品进行加热处理，确保产品在理想的温度下进行加工，达到要求的性能。由于不锈钢导热性能差，这反更加有利于液体保温，所以采用不锈钢 304材质，外面用硅酸铝保温材料包履（同时包履住的还有发热体），确保将热损失降到低，提高效能，节约成本的同时起到安全保护的作用。

2.4  电器箱

    用于安装包括 PLC、可控硅和移相触发器在内的所有控制电路，电路系统是否完善决定着整机运行的性能是否达到理论要求。

2.5  溢流槽

    用于承接液体由于加热时热时膨胀溢出而设，避免造成生产成本的浪费和环境的污染。

3 技术分析

3.1  传统的加热装置的基本结构和工作原理

    如图 3 所示，传统的加热装置系统组成和结构相对简单，也就意味着这样的系统构成无法完成精细的温度控制，发热体功率释放基本恒定，只要接通电源，基本都是全功率输出。加热时，受热介质温度无法达到均匀，处于发热体低部的介质温度远低于发热体上方的温度，而温度传感器无法遍布介质不同深度的每一个位置，所以无法有效监测介质温度的实时变化；当温度传感器感知周围的温度并反馈到控制中枢时，发热体附近的温度已远高于其他位置的温度，由于分子运动的作用，当温度均匀并达到设定值时，实际温度已超出生产所需要的生产式艺温度。反之，如果把传感器装得过于靠近发热体，又会过早感知受热介质的高温度，导致发热体过早停止输出,同样无法达到生产工艺要求。

功率温度曲线关系图

3.2  新型加热控温装置控制电路的分析

    在新型的加热温度控制装置中，采用了可控硅作为触发控制。通常来说，可控硅有两种不同的控制方式：过零触发和移相触发。过零触发是在零电流或零电压时关断，目的主要是为了延长使用寿命而降低功耗；移相触发则是通过调速电阻值来改变电容的充放电时间，从而改变晶体管的振荡频率，实际上是改变可控硅的触发角大小。过零触发虽然没有移相触发所产生的谐波问题，但是电流会有冲击；而移相触发的电流相对过零触发来说更加稳定，虽然会产生谐波的干扰，影响同一电源网络的其他精密控制设备，但只要做好谐波过滤，则可有效消除谐波对其他精密控制设备的影响。所以本装置采用了可控硅的移相触发控制，并结合 PLC 编程采用了一种近似于模糊控制的方式对发热体进行控制。

3.3  新型加热控温装置控制电路主要的配件选型

    出于电路控制的需要，本装置主要选用如下电器配件：PLC、42 步进电机、DI 智能工业仪表、可控硅模块、移相触发控制器、三相 380V 发热体和温度传感器。

3.4  新型加热控温装置的主要工作原理和技术分析

    在本装置中，目的是对受热介质加热并对其温度进行精细的控制。在电源接通时，装置启动，进入正常工作状态，发热体对受热介质从常温下开始加热。由于发热体采用移相触发控制，而且电路的全个工作过程均采用模糊控制，所以在介质处于温度较低的时候，发热体的功率输出是满负荷的，以尽快让介质温度向设定值靠近，同时步进电机工作，对介质进行搅拌，介质保持低速运动，使得介质内部的温度在整个加热过程中基本保持均匀的状态；而在介质温度接近设定值时，可控硅的触发角发生改变，从而改变了发热体的输出功率，PLC 的程序同时控制了发热体的工作时间，此时的发热体处于间歇工作的状态。

    如上图 4 所示，介质温度越是接近设定值，发热体的功率输出越低，工作间歇时间越长，到达设定值时，发热体停止输出。

    要知道，能量守恒，所以受热介质无法处于温度恒定的状态，所有跟它有接触的东西都会造成它的热损失，导致温度降低，哪怕是跟空气接触也好。此时可以通过 DI 工业控制仪表的设定，给介质一个保温区间，使得介质在低于某一温度时启动发热体，而在高于某一温度时让发热体停止工作。保温区间可根据需要自定义，当然，设定的区间越小，对温度传感器的要求越高，（100±5）℃与（100±1）℃的概念是不一样的，要完成更精细的温度控制，电路方面就需要采用一个更灵敏、精度更高的温度传感器来进行温度反馈。

    本装置温度控制的精度除了配件精度的选定和工作模式的设定外，PLC 控制程序的编写也很重要，这几方面直接决定了装置整体对温度控制的质量。

结论

    本文对一种新型的加热控温装置进行了论述。装置的大特点温度控制准确、节能环保、有效提高生产效率和产品合格率。相对于传统的加热控制方式，本装置对温度精度的控制质量有了显著的提高，可以对温度进行精细的控制，避免在工作过程中，由于控制方式的不同，造成温度过冲，超出了生产工艺的合理范围。