基于智能儀表溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-文庫(kù)吧
2024-11-11 22:05 本頁(yè)面
【正文】 控儀表研究與生產(chǎn)應(yīng)用中，總結(jié)了很多經(jīng)驗(yàn)，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的溫度控制器及測(cè)溫儀表來(lái)說(shuō)，總體發(fā)展水平仍然不高。成熟產(chǎn)品主要以“點(diǎn)位”控制及常規(guī)的 PID 控制器為主，只能適應(yīng)一般溫度系統(tǒng)測(cè)控，難以控制復(fù)雜的大滯后時(shí)變溫度系統(tǒng)。 隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及加入 WTO 帶來(lái)的契機(jī)，政府及企業(yè)對(duì)于高新技術(shù)的發(fā)展都非常重視，對(duì)相關(guān)企業(yè)資源進(jìn)行了重組，相繼建立了一些國(guó)家，企業(yè)的研發(fā)中心，并通過(guò)合資，技術(shù)合作等方式，組建了一批合資，合作及獨(dú)資企業(yè)，使我國(guó)溫度等 測(cè)試儀表得到迅速的發(fā)展。 目前，我國(guó)在測(cè)控儀表業(yè)與國(guó)外的差距主要在如下幾個(gè)方面： 1)企業(yè)規(guī)模小，且較為分散，造成技術(shù)力量不集中，導(dǎo)致研發(fā)力量不強(qiáng)，制約技術(shù)發(fā)展。 2）商品化產(chǎn)品以 PID 控制器為主，智能化儀表少，這方面同國(guó)外差距較大 。 3）儀表控制用關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)算法及控制軟件方面的研究較國(guó)外落后 。 2 溫度控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 溫度控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方法 本 設(shè)計(jì)以電阻爐 為被控對(duì)象，選擇熱電偶為溫度傳感器，熱電偶可選擇使用鎳鉻 鎳硅（ K 型），鉑銠 鉑（ S 型），鎳鉻 考銅（ E 型）三種中的一種作為 輸入，移相觸發(fā)模塊為執(zhí)行元件，控制儀表選擇上海萬(wàn)訊公司的 AI 智能儀表。此溫度控制系統(tǒng)還采用 RS485 串行通信與上位機(jī)進(jìn)行通訊，且采用 PID 控制。并進(jìn)行傳感器的選擇，智能儀表的原理的介紹，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇，控制算法以及參數(shù)整定。下面具體討論硬件電路 。 系統(tǒng) 的硬件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示 ： 上位 機(jī) 電阻爐 溫度采集 智能儀表 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 圖 2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 傳感器變送器的選擇及連接 本系統(tǒng)熱電偶檢測(cè)溫度，采用輸出為 420mA DC 溫度變送器 將 溫度 值變換為 標(biāo)準(zhǔn) 模擬 電 信號(hào)，并將模擬量 電信號(hào) 送智能儀表。 熱 電偶及參比溫度補(bǔ)償 在該溫控系統(tǒng)中， 熱電偶可選擇使用鎳鉻 鎳硅（ K 型）作為輸入，下面詳細(xì)介紹本系統(tǒng)的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)。 熱電偶測(cè)溫原理及存在問(wèn)題 測(cè)定對(duì)象 A C1 B C2 溫度 t 基準(zhǔn)溫度 t0 圖 3 熱電 偶原理示意圖 熱電偶是基于賽貝克發(fā)現(xiàn)的熱電勢(shì) 效應(yīng)而制成的簡(jiǎn)易溫度計(jì)，是工業(yè)上使用最多的溫度傳感器，如圖 3，將不同種類的兩根金屬導(dǎo)線 A， B 連接起來(lái)，并保持接點(diǎn)溫度為 t。若設(shè)由電壓計(jì) V 引出的導(dǎo)線與金屬線 A， B 連接點(diǎn)的溫度為 t，則顯現(xiàn)出來(lái)的熱電勢(shì) ? ?。， ttEAB 為 ? ? ?? ? ?。 tEtEtE ABABAB ?? (21) 熱電勢(shì) ? ?。， ttEAB 與連接的方法和金屬線的溫度分布等細(xì)節(jié)無(wú)關(guān)，僅由熱電偶的類型及參比端溫度 t。決定。熱電勢(shì) ? ?。， ttEAB 等于測(cè)量端 t 和參比端溫度 t。所引起的電勢(shì)差。根據(jù) 溫度和電勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要測(cè)出電勢(shì)差，就可得到測(cè)量端溫度的值，這就是熱電偶測(cè)溫的原理 。 成品的熱電偶都有對(duì)應(yīng)的分度表，即在參比端溫度為 0℃時(shí)，熱電勢(shì)和測(cè)量溫度的對(duì)應(yīng)表。但在實(shí)際測(cè)量中很難做到參比端溫度為 0℃，因此不能直接應(yīng)用分度表， 而要通過(guò)實(shí)測(cè)參比端的溫度，并由軟件查表處理。另外，熱電勢(shì)與溫度呈非線性關(guān)系，有的曲率也相當(dāng)大，因此要進(jìn)行軟 件的非線性處理 [3， 4]。 PN 結(jié)溫度補(bǔ)償 本系統(tǒng)選用二極管作為溫度傳感器對(duì)參比端溫度進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)二極管的正向電壓流過(guò)一定的電流時(shí)，陰極一陽(yáng)極間的電壓隨溫度直線變化。利用此特性可制作溫度傳感器。下邊簡(jiǎn)述二極管的測(cè)溫原理。 就二極管而言，其正向電流 I 是結(jié)電壓 V(0)的函數(shù)。 ?????? ?????????? 1e xp kTqVII ?。 (23) 其中 ,為飽和電流 ， 0I 為二極 管指數(shù)， ? 對(duì)于理想狀況等于 1，而對(duì)于實(shí)際的二極管，大約取 1 到 2 之間的值。對(duì)于理想的 PN 結(jié)二極管，可用下式表示 ????????? kTRI g?exp。 (24) 其中， R 是常數(shù) , g? 是半導(dǎo)體的禁帶寬度?，F(xiàn)假設(shè)對(duì)于理想的二極管， (在常溫 T=300K時(shí)， V ? 26mV)成立， g? 凡不依賴于溫度，且處于正向恒定電流工作狀態(tài)，則此溫度傳感器的靈敏度可表示為 ?????? ???? qVTRqkdTdVS G?? 11ln (25) 通常其值為幾 MV/℃ 。由上式可見，靈敏度必然取負(fù)值?，F(xiàn)給出了 GaAs 和 Si 的 PN結(jié)的正向電壓隨溫度變化的曲線?？梢姡瑢?duì)于極低溫度的測(cè)量， GaAs 比 Si 更合適。但是， Si 的 PN 結(jié)溫度傳感器在 40K 以上的溫度顯示出好的直線性。因此， Si 二極管可作為測(cè)量 50100℃ 溫度范圍的溫度傳感器 ，其精度為士 ℃。該系統(tǒng)的智能儀表用于工控環(huán)境，周圍環(huán)境的溫度范圍正好符合 Si 二極管的測(cè)溫范圍。實(shí)際選用的二級(jí)管的靈敏度為 2mV/℃ [5， 6]。 溫度變送器 本系統(tǒng)采用輸出為 420mA DC 溫度變送器，這是輸出電流符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的變送器，也是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外變送器儀表中的主體類型，這類變送器具有自身優(yōu)點(diǎn) ： a. 采用線性集成放大電路，提高了儀表的可靠性，穩(wěn)定性和其他多項(xiàng)技術(shù)性能 。 b. 采用單元體系設(shè)計(jì)方法，提供了通用與專用相結(jié)合的靈活而清晰的應(yīng)用模式 。 c. 在熱電偶和熱電阻的接入模式中，采用了線 性化電路，從而使變送器輸出信號(hào)與被測(cè)溫度呈線性關(guān)系。 d. 儀表采用了統(tǒng)一的直流 24V DC 集中供電，變送器內(nèi)無(wú)電源，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)的“二線制”接入方式。 e. 采用了安全火花防爆措施，適用于具有爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)合的溫度或直流毫伏信號(hào)的檢測(cè)。 以下介紹這種溫度變送器的工作原理： 圖 4 所示為 420mA DC 輸出型溫度變送器的組成方框圖。圖示意點(diǎn)劃線標(biāo)示為量程單元和放大單元兩部分構(gòu)成變送器的整體。每一個(gè)單元各自包括若干具體組成部分。其中量程單元包括輸入回路和反饋回路，這一部分對(duì)傳感器的具體形式具有針對(duì)性，因此， 這一單元具有“專用性”。實(shí)際上，具有熱電偶、熱電阻及毫伏輸入三種三種形式的針對(duì)性量程單元，電路功能也應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱電偶冷端補(bǔ)償、熱電阻三線接入，零點(diǎn)遷移以及量程調(diào)整等工作特性。在這里還包括一個(gè)熱電偶和熱電阻非線性校正的線性化電路，這是本電路的顯著特點(diǎn)。
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