（机械电子工程专业论文）基于模糊pid控制的玻璃纤维机械温度控制系统研究.pdf

- 赢专 搿 量- 。 荔 0 西安建筑科技大学硕士论文 基于模糊pid 控制的玻璃纤维机械温度控制系统研究 专业：机械电子工程 研究生：陈国将 指导教师：严洁 摘要 玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，广泛应用于建材、墙体、绝缘材料、 船体、高速公路等建设中。 在生产过程中，玻璃纤维质量和炉温有密切关系。本文详细分析几种测温方法， 提出一种通过测量电流电压来间接测量温度的方法。同时针对玻璃溶液生产的特点， 设计了利用单片机为处理器的加球机和温度控制两个系统。加球机可进行液位控制或 定时控制，温度控制系统可通过电流电压的p i d 调节间接地使温度恒定。车间内所有 加球机和温度控制系统均通过r s 4 8 5 接口与p c 机形成控制网络，由p c 机进行集中控 制和处理。 基于对象具有时变性、随机性、系统模型难以建立的特点，常规p i d 控制器难以 满足炉温控制精度的要求，本控制系统将模糊控制器和常规p i d 控制器结合在一起， 利用模糊逻辑控制实现了p i d 参数的在线白调整，进一步完善了p i d 控制器的性能， 提高了系统的控制精度，并把m a t l a b 中的f u z z y t o o l b o x 和s i m u l i n k 有机结合起来， 方便地实现了模糊p i d 控制系统的仿真，结果表明了该控制策略的正确性与有效性。 关键词：玻璃纤维机械；单片机；温度测量；模糊p i d 控制 论文类型：应用研究 西安建筑科技大学硕士论文 t h er e s e a r c hb a s e do nf u z z yp i dc o n t r o lf o rt e m p e r a t u r e c o n t r o lo fg l a s sf i b e rm a c h i n e m a j o r ：m e c h a n i c a la n de l 劬o m ce n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：c h e n g o n g j i a n g i n s t r n c t o r ：y i a n j i e a b s t r a c t t h eg l a s sf i b e ri so n ek i n do fp e r f o r m a n c eo u t s t a n d i n gi n o r g a n i cn o n m e t a l l i cm a t e r i a l ， a n di t sq u a l i t ya n dt h eg l a s sf u m a c et e m p e r a t u r eh a st h ed o s er e l a t i o n i nt h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e ms t a t e di n t h i sp a p e r , t h em i e r o c o n t r o l l e rg a t h e r st h et e m p e r a t u r es i g n a l sa n d c o n t r o l si ti n d e p e n d e n t l y , t h e nt h r o u g ht h es e r i a li n t e r f a c e , d e l i v e r st h et e m p e r a t u r es i g n a l st o p e r s o n a lc o m p u t e rt oc a r r yo u th a n d l i n g t h i sp a p e rs t a t e ss e v e r a lm e t h o d so fm a s r r e t e m p e r a t u r e ai n d i r e c tm e t h o do f m e a s u r i n gt e m p e r a t u r eb ym e a s u r i n ge l e c t r i cc u r r e n ta n d v o l t a g ei sp r o v i d e d a i ma tt h ep o 砬o f c r u c i b l ea n dh i 曲t e m p e r a t u r e ，d e s i g n e dt h em e t h o d o fu s i n gp l a t i n u mp r o b et op r o c e s sl i q u i dl o c a t i o nc o n t r o la n dm c u t i m i n gl i q u i dl o c a t i o n c o n t r 0 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so f e a c h m e t h o dw e r ep r e s e n t e d w h e nb a s e do no b j e c t , h a v i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fd e n a t u r i z i n g ，r a n d o m n e s sa n d s y s t e m a t i cm o d e li sh a r dt oe s t a b l i s h , c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri s h a r dt os a t i s f yt h e r e q u i r e m e n to ft h ec o n t r o lp r e c i s i o no ff u r n a c et e m p e r a t u r e t h eu s i n go ff u z z yl o g i c c o n t r o l l e rm a k e st h ep a r a m e t e r ss e l f - a d a p t a t i o no fp i dc o n t r o l l e rp o s s i b l ew h e nf u z z y l o g i cc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e ra l ec o m b i n e dt o g e t h e r , i ta l s op e r f e c t st h ep r o p e r t i e so f p i dc o n t r o l l e ra n di m p r o v e st h ep r e c i s i o no fc o n t r o l l e rs y s t e m t h ec o m b i n a t i o no ff u z z y l o g i ct o o l b o xa n ds i m u l l n ka l eu s e dt or e a l i z et h i sk i n do fc o n t r o l l e rs i m u l a t i o n , t h e r e s u l ts h o w st h a tt h i sc o n t r o ls t r a t e g yi sc o r r e c ta n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：g l a s sf i b e rm a c h i n e ； m i c r o c o n t r o l l c r ； m e a s l l r et e m p e r a t u r e ； f u z z yp i d c o n t r o l 一 埘1 象i 声明 v 上9 7 0 5 3 8 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请 学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名 日期：少卯石夕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 内容和部分内容，可以采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名 注：请将此页附在论文首页。 觥名：罗；专吼协6 6 b - i j 西安建筑科技大学硕士论文 第1 章绪论 1 1 玻璃纤维生产简介及现状 1 1 ，l 玻璃纤维 玻璃纤维产品是一种性能优异的无机非金属材料，是现代材料家族中的重要一员， 也是高新技术不可缺少的配套基础材料。它不仅具有不燃、耐高温、电绝缘、拉伸强 度高、化学稳定性好等优良性能，还可以采用有机被覆盖技术来进行制品深加工及扩 大制品的应用领域。用玻璃纤维强塑料已成为当今最热门的工业之一即复合材料工业 的主体。因而玻纤产品越来越广泛地应用于交通、运输、建筑、环保、石油、化工、 电器、电子、机械、航空、航天、核能、兵器等传统产业部门和高新技术部门。 玻璃纤维工业白1 9 3 8 年创立以来，在国外已有6 0 多年的发展历史，其产量、生 产工艺、品种规格和应用领域在不断发展、特别是6 0 年代以来，由于新技术、新工艺 的不断出现，玻璃纤维得到了更广泛的应用，促进了玻璃纤维工业的发展。据不完全 统计，现在世界上有五十多个国家生产玻璃纤维，品种规格达4 0 0 0 多种。玻璃纤维作 为一种新型的材料，从总体来说一直保持着较高的增长速度，发展过程虽有起伏，但 仍以年总平均5 0 , , - 8 速度增长，2 0 0 4 年世界总产量达3 2 0 万吨，总产值达8 0 亿美元。 1 1 2 玻璃纤维生产工艺 采用玻璃球作为主要原料，经洗、选后，由加球机自动加入坩埚内。坩埚通过钼 电极加热，玻璃球熔化，熔融玻璃液自坩埚底部多孔漏板流出。经单丝涂油器集柬后， 由高速旋转的拉丝机拉制成合格的丝饼。丝饼经烘干后，由无捻粗纱络纱机卷绕成无 捻粗纱商品纱，经短切机切成短切纱或由方格布机织成方格布等。玻璃纤维生产如图 1 1 所示，具体生产工艺流程如下： 原料一加水清洗一晒干一放入坩锅一喷灯引火预热一点火加热一玻璃熔化一拉丝 一抽丝一软化一上丝一夹丝和缠丝一下丝成品一包装一成品一入库 1 1 3 温度对生产过程和产品的影响 玻璃纤维的质量与玻璃熔炉温度有密切关系，炉温偏高时，玻璃纤维变细，易被 拉断；炉温偏低时，玻璃纤维变粗甚至交脆、折断，甚至玻璃溶液里水滴状落下，根 本无法拉丝因此，要拉制合格的玻璃纤维，炉温控制系统的研究具有重要意义。由 此看来，如何实现炉温控制显得格外重要。由于控制对象具有随机性、系统模型难以 建立，玻璃坩埚的加热过程干扰源比较多、时滞又比较大的特点，常规p i d 单回路的 爱 ，j _ 西安建筑科技大学硕士论文 控制方式在多干扰源、大时滞系统中控制效果不理想。因此，需要研究新的控制方案， 以使玻璃熔炉的温度控制达到所要求的精度 图1 1 玻璃纤维生产示意图 1 1 4 现有的控制方案及其缺点 在玻璃生产过程中，原料经过加热形成玻璃液的过程称之为玻璃的熔制过程。玻璃 熔制是玻璃生产过程中重要阶段，熔制质量和速度决定着产品的质量和产量。而决定 熔制质量和生产效率的关键因素就是玻璃窑炉熔化池温度。目前，我国玻璃纤维工业 大部分采用的是坩锅法，部分组合炉，少量池窖法。而坩锅法在玻璃坩埚温度控制这 一环节中，现采用的方案为：由热电偶采集熔化池温度信号，采用常规p i d 控制器构成 单回路控制。如图1 2 所示。 图1 2 炉温p i d 控翻回路 玻璃坩埚的加热过程干扰源比较多、时滞又比较大，常规p i d 单回路的控制方式 在多干扰源、大时滞系统中控制效果不理想。 1 2 本课题的研究内容及研究意义 1 2 1 本课题的主要研究内容 根据设计要求，本文主要对以下几个方面的内容进行了分析研究。 ( 1 ) 模糊自适应p i d 控制系统设计 2 ，雏，。 ? 务 ： 0 一j 西安建筑科技大学硕士论文 在利用常规p i d 控制器的基础上，对过程控制中应用广泛的p i d 控制器参数的整 定方法进行了详细的分析研究，选定本自控系统控制器参数整定的方案。将模糊控制 自适应与p i d 控制结合在一起，利用模糊逻辑控制实现了p i d 参数的在线自调整，并 运用m a t l a b 对该控制系统进行了仿真，结果证明了该控制方案的可行性与有效性。 ( 2 ) 温度控制系统设计 考虑温度变化的原因通常是负载变化或电源波动，系统采用电量传感器对变压器 电压、电流进行检测后，形成电压、电流负反馈，与给定值比较，经p i i ) 调节后，控制 可控硅移相角，使电极外加电压，电流恒定，从而使温度恒定。 ( 3 ) 液面控制系统设计 针对坩锅内部液体高温的特点，利用单片机通过铂金探针进行液位控制或定时控制。 ( 4 ) 各种测温方法研究 分析国内外测温方法分类及其特点，国内外对大型炉窑温度测量的研究状况，针 对坩埚及高温的特点，提出间接测温方案。 ( 5 ) 上下位控制系统 根据车间内多台设备运行的特点，提出一基于r s 4 8 5 总线结构的上下位控制系统。 1 2 2 本课题的研究意义 玻璃纤维的质量和玻璃熔炉的温度有密切关系，现行的炉温控制系统尚未完成预 期温度控制目标，原因是玻璃熔炉是一个具有大惯性、纯滞后、多变量的复杂被控系 统，工作机理复杂。因此，炉温控制系统的研究，对于提高玻璃纤维质量，促进相关 行业的发展，扭转我国生产技术落后的局面具有重要意义。 对坩埚和工业炉窑生产来说，计算机过程控制自动化生产的效益可以归结为以下 几点： ( 1 ) 节约能源 炉窑和坩埚的耗电量极大，其节能途径很多，提高自动化水平也被证明是一个行 之有效的节能途径。坩埚温度控制采用常规仪表，节能率约为3 5 ，应用微机控制技 术，其节能率可达4 - 1 5 ( 2 ) 改善环境 在玻璃纤维坩埚生产中，温度如果不够恒定，不但会造成能源浪费，还会给环境 造成污染。计算机控制系统可对加热过程进行有效的控制，使加热温度保持在一个比 较恒定的温度区间，人为地减少玻璃液对环境的污染，提高玻璃纤维的成品率。 ( 3 ) 提高产品产量和质量 计算机过程控制为玻璃纤维生产提供了更稳定的生产条件和控制精度。在坩埚加 热过程中通过对生产过程的优化拉制和自动艺管理控制能够所短生产周期，提高生产 - ， - j - 西安建筑科技大学硕士论文 效率和产品产量、质量，减少人为因素造成的废品率。 ( 4 ) 改善劳动条件 在玻璃纤维坩埚生产中，一般环境较差，劳动强度也比较大。由于计算机控制代 替了部分人工频繁操作，减少t t 人坩埚前操作时间，改善了工人的劳动条件 ( 5 ) 为生产管理和技术改造创造条件 计算机在工业坩埚上的应用，为坩埚生产提供了方便、直观的过程参量监测、显 示、记录以及处理的手段，不但为进行生产管理、设备检查、维修提供了条件和依据， 也为玻璃纤维特性测试分析方面提供了数据，从而促进了工艺设计、生产的科学化。 4 ；j j q ：l 西安建筑科技大学硕士论文 第2 章控制系统的总体结构 2 1 控制系统的功能需求分析 2 i 1 玻璃纤维生产工艺要求 玻璃纤维原材料是石英砂粉碎后制各的球状体，在带有漏板的坩埚内加热至 1 3 0 0 1 4 0 0 。c 后融化，经漏板孔形成丝状体，在润滑液浸泡后软化，由6 0 0 0 r m i n 的 高速电机缠绕，形成成品纤维。此过程称拉丝。纤维拉丝后经捻线、合线，便可织布。 2 1 2 加料需求 漏板孔直径0 1 4 啪1 帅左右，有2 0 0 ，4 0 0 ，8 0 0 ，6 0 0 0 孔的规格。单位时 间产，纤维的粗细不同。当溶液减少时，需加入原料，单位时间原料用量不等，采用 加球机向坩埚中补充新原料。 2 1 _ 3 温度控制需求 温度控制也是玻璃纤维生产中的一个关键问题。炉温偏高时，玻璃纤维变细，易 被拉断；炉温偏低时，玻璃纤维变粗甚至变脆、折断，玻璃生产是耗能大户，纤维在 拉制时断裂的小细丝在空中飘浮，为防止断丝，车间内又要保持一定温度，故工人劳 动强度大，生产水平低下。采用自动温度控制系统可以把工人从繁重的劳动中解放出 来。 2 2 1 加料机设计 2 2 控制系统的总体结构设计 加球机工作方式有两种：时间控制与液面控制。定时加球可按产量通过键盘设定 每次加球个数和间隔时间。液面控制采用闭环控制，用铂金探针作为一个电极，坩埚 作为另一个电极，溶化的玻璃溶液为是导体，当液面与探针接触时不需加料，当液面 离开探针时，需要加料。此过程用单片机控制。其框图如图2 1 所示。 西安建筑科技大学硕士论文 己围鼬曰匐囤 s = 二， - 图2 1 液面控制系统原理图 2 2 2 温度控制系统设计 温度控制在1 3 0 0 1 4 0 0 。c 范围，一般需使用铂材料热电偶，3 0 5 0 9 ，价格为几 千元。故利用间接测量方法来测量电压电流。采用互感器测量单相变压器原边电流和 副边电压，形成电流反馈环和电压反馈环，选择移相触发的双向可控硅来间接地控制 坩埚温度。 为产生较大电流进行加热，电极加热电源为5 v 交流，通过单相变压器接于3 8 0 v 线电压之间。2 k w 的炉子，副边电流达到4 0 0 a 。测量电流时，电流互感器接于原边， 互感器测得的信号经整流平均与给定值比较得到偏差，此偏差作为控制器的输入信号。 电压互感器接于副边，经整流可得输出电压平均值，与给定值比较得到偏差信号。当 电网电压波动、负载变化时，互感器引起反馈电流和电压，得到恒定电压和稳定电流。 上述过程用另一台单片机控制。系统框图如图2 2 所示。 为了使操作工人脱离上述恶劣环境，加球机、温控仪都与r s - 4 8 5 总线互联后进入 p c 机，可在车间外进行控制。 本系统高速电机速度还未控制，故系统只有电流环，电压环，尚无速度环。 6 t j t 二l 西安建筑科技大学硕士论文 e ! ! ! ! ! 目! g ! ! ! e 目! e e g # ! s ! ! ! 自! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 田溷曰细回勾圈 圈2 2 温度控制系统原理图 7 西安建筑科技大学硕士论文 第3 章测温方法研究 3 1 国内外测温方法分类及其特点 根据传感器的测温方式，温度基本测量方法通常可分成接触式和非接触式两大类。 接触式温度测量的特点是感温元件直接与被测对象相接触，两者进行充分的热交 换，最后达到热平衡，此时感温元件的温度与被测对象的温度必然相等，温度计就可 据此测出被测对象的温度。因此，接触式测温一方面有测温精度相对较高，直观可靠 及测温仪表价格相对较低等优点，另一方面也存在由于感温元件与被测介质直接接触， 从而要影响被测介质热平衡状态，而接触不良则会增加测温误差；被测介质具有腐蚀 性及温度太高亦将严重影响感温元件性能和寿命等缺点根据测温转换的原理，接触 式测温又可分为膨胀式、热阻式、热电式等多种形式。 非接触式温度测量特点是感温元件不与被测对象直接接触，而是通过接受被测物 体的热辐射能实现热交换，据此测出被测对象的温度。因此，非接触式铡温具有不改 变被测物体的温度分布，热惯性小，测温上限可设计得很高，便于测量运动物体的温 度和快速变化的温度等优点。两类测温方法的主要特点如表3 1 所示。各类温度检测 方法构成的测温仪表的大体测温范围如表3 2 所示。 对较高温度( 1 0 0 0 。c 1 8 0 0 0 c ) 的测量，目前普遍使用金属热电偶温度计进行接触 式测量，如钨一铝热电偶，铂一热电偶等。 3 1 1 金属热电偶温度计 测温原理： 热电偶的测温原理基于热电效应。将两种不同的导体a 和b 连成闭合回路，当 两个接点处的温度不同时，回路中将产生热电势，由于这种热电效应现象是1 8 2 1 年塞 贝克( s e e b a c k ) 首先发现提出，故又称塞贝克 效应( 如图3 1 所示) 。 把图3 1 中两种不同材料构成的上述热电 变换元件称为热电偶，导体a 和b 称为热电极， 通常把两热电极一个端点固定焊接，用于对被 测介质进行温度测量，这一接点称为测量端或 工作端，俗称热端；两热电极另一接点处通常 保持为某一恒定温度或室温，被称作参比端或 参考端，俗称冷端。 8 图3 1 塞贝克效应示意图 西安建筑科技大学硕士论文 表3 1 接触式与非接触式测温特点比较 方式 接触式 非接触式 感温元件要与被测对象包好接触；感温元 件的加入几乎不改变对象的温度；被测温需准确知道被测对象表面发射率；被测 测量条件 度不超过感温元件能承受的上限温度：被对象的辐射能充分照射到检测元件上 测对象不对感温元件产生腐蚀 特别适合1 2 0 0 以下、热容大、无腐蚀 原理上测量范围可以从超低温到极高 测量范围性对象的连续在线测温，对高于l3 0 0 0温，但1 0 0 0 以下，测量误差大，能测 以上的温度测量较困难运动物体和热容小的物体温度 工业用表通常为1 0 、0 ，5 、0 2 及0 1 级， 精度通常为1 0 、1 5 、2 5 级 实验室用表可达0 0 1 级 响应速度慢，通常为几十秒到几分钟快，通常为2 3 秒钟 整个测温系统结构简单、体积小、可靠、整个测温系统结构复杂、体积大、调整麻 维护方便、价格低廉，仪表读数直接反映 烦，价格昂贵；仪表读数通常只反映被测 其它特点 被测物体实际温度；可方便地组成多路集物体表现温度( 需迸步转换) ；不易组成 中测量与控制系统测温、控温一体化的温度控制装置 热电偶闭合回路中产生的热电势由两种电势组成：温差电势( 又称汤姆逊电势) 和接触电势( 又称珀尔帖电势) 。 温差电势是指同一热电极两端因温度不同而产生的电势。当同一热电极两端温度不同 时，高温端的电子能量比低温端的大，因而从高温端扩散到低温端的电子数比逆向来的多， 结果造成高温端因失去电子而带正电荷，低温端因得到电子而带负电荷。当电子运动达到 平衡后，在导体两端便产生较稳定的电位差，即为温差电势。如图3 2 示。 表3 2 各种温度检测方法及其溯温范围 测温方式类别 原理 典型仪表测温范围 利用液体气体的热膨胀及物质玻璃液体温度计 1 0 0 - , 6 0 0 韵蒸汽压变化 压力式温度计 1 0 0 5 0 0 膨胀类 利用两种金属的热膨胀差双金属温度计 - 8 0 - - 6 0 0 热电类利用热电效应熟电偶2 0 0 一1 8 0 0 接触式铂热电阻 - 2 0 0 - 8 5 0 测温固体材料的电阻随温度而变化 铜热电阻 5 0 1 5 0 电阻类 热敏电阻 - 5 0 - 一3 0 0 其他电学半导体器件的温度效应集成温度传感器 5 0 1 5 0 类 晶体的固有频率随温度而变化石英晶体温度计 5 0 1 2 0 光纤温度传感器5 0 - 4 0 0 光纤类利用光纤的温度作为传光介质 光纤辐射温度计 2 0 0 - 4 0 0 0 非接触式光电高温计 8 0 m 0 2 0 0 测温辐射类利用普朗克定律 辐射传感器 4 0 0 2 0 0 0 比色温度计5 0 m 0 2 0 0 9 西安建筑科技大学硕士论文 雩 h o 枷 图3 2 温差电势示意图图3 3 接触电势示意图 热电偶接触电势是指两热电极由于材料不同而具有不同的自由电子密度，而热电 极接点接触面处就产生自由电子的扩散现象；扩散的结果，接触面上便逐渐形成静电 场。该静电场具有阻碍原扩散继续进行的作用，当达到动态平衡时，在热电极接点处 便产生一个稳定电势差，称为接触电势，如图3 3 所示。其数值取决于热电偶两热电 极材料和接触点的温度，接点温度越高，接触电势越大。零摄氏度，即条件下，用 实验的方法测出各种不同热电极组合的热电偶在不同热端温度下所产生的热电势值， 制成测量端温度( 通常用国际摄氏温度单位) 和热电偶电势对应关系表，即分度表； 也可据此计算得两者的函数表达式。 表3 3 工业甩热电偶测温范围 名称分度号测温范围适用气氛稳定性 铂铑l r 铂铑 b 2 0 0 一1 8 0 0 o 、n 5 0 0 ，差 铜康铜 t- 2 7 伊刁5 0o 、n 、r 、v 1 7 m 之o o w r d 3 一 钨铼厂书铼2 5 w r 2 2 5 w 毗s _ 一 m 之3 0 0 n ，v ，r 中等 钨铼硝铼m w r 正2 6 热电偶性能； 热电偶分类及特性为了得到实用性好，性能优良的热电偶，其热电极材料需具有 以下性能 1 0 西安建筑科技大学硕士论文 ( 1 ) 优良的热电特性即热电势及热电势率( 灵敏度) 要大，热电关系接近单值线性 或近似线性，热电性能稳定； ( 2 ) 良好的物理性能 即高电导率，小比热，耐高温、低温下不易脆断，高、低温下不发 生再结晶等； ( 3 ) 优良的化学性能如抗氧化、抗还原性和耐其它腐蚀性介质等； ( 4 ) 优良的机械性能易于提纯和机械加工、工艺性好，易于大批量生产和复制； ( 5 ) 足够的机械强度和长的使用寿命； ( 6 ) 制造成本低，价值比较便宜 近一个世纪来，各国先后生产的热电偶的种类有几百种，应用较广的有几十种， 而国际电工委员会推荐的工业用标准热电偶为八种( 目前我国的国家标准已与国际标 准统其中分度号为s 、r 、b 的三种热电偶均由铂和铂铑合金制成，属贵金属热电 偶。分度号分别为k 、n 、t 、e 、j 的五种热电偶，是由镍、铬、硅、铜、铝、锰、镁、 钴等金属的台金制成，属贱金属热电偶。这八种标准热电偶的热电极材料、最大测温 范围、适当气氛等见表3 3 所示。总之热电偶有测量准确、灵敏、使用方便等这类温 度计精度均较高。测量钢水温度常用钨钼热电偶，这类温度计精度均较高。测量钢水 温度常用钨一钼热电偶，在1 5 0 d 1 7 5 0 的范围内，低温的准确度为_ 5 0 c ，高温的 准确度为l o o c 。由于用金属热电偶必须接触被测高温物体，所以损坏很快，而且超 高温中，测量受到绝缘保护管使用寿命的极大限制，据我们了解所知，目前国内外测 量1 8 0 0 c 以上的高温有极少采用钨铼热电偶作测量元件，用氧化镀或氧化钍材料作热 电偶的绝缘体，由于氧化铍材料有剧毒，氧化钍材料有放射性，而且氧化铍和氧化钍 材料价格昂贵，制造困难，因此使用受到限制。另外，还可以用相对廉价且小惰性结 构的热电偶代替贵重金属热电偶，插入熔融的钢水之中并在它烧毁之前迅速测出熔融 金属的温度，进行间断测量。这是目前国内广泛采用消耗式热电偶，这种热电偶的精 度基本上能满足生产精度的要求，但是这种方法大量消耗贵金属，成本非常高。 3 1 2 辐射法测温 任何物体，其温度超过绝对零度，都会以电磁波的形式向周围辐射能量。这种电 磁波是由物体内部带电粒子在分子和原子内振动产生的，其中与物体本身温度有关传 播热能的那部分辐射，称为热辐射。而把能对被测物体热辐射能量进行检测，进而确 定被测物体温度的仪表，通称为辐射式温度计。辐射式温度计的感温元件不需和被测 物体或被测介质直接接触，所以其感温元件不需达到被测物体的温度，从而不会受被 测物体的高温及介质腐蚀等影响；它可以测量高达摄氏几千度的高温。而感温元件不 会破坏被测物体原来的温度场；可以方便地用于测量运动物体的温度是此类仪表的突 出优点。幅射测温的基本原理 辐射式温度计的感温元件通常工作在属于可见光和红外光的波长区域。可见光的 西安建筑科技大学硕士论文 光谱很窄，其波长仅为0 3 0 7 2l lm l 红外光谱分布相对较广，其波长范围为0 7 2 i 0 0 0pm 。辐射式温度计的感温元件使用的波长范围为0 3 4 0l lm 。 自然界中所有物体对辐射都有吸收、透射或反射的能力，如果某物体在任何温 度下，均能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量，则称此物体为绝对黑体。 根据基尔霍夫定律得知，具有最大吸收本领的物体，在其受热后，也将具有最大 的辐射本领。人们称那些对辐射能的吸收( 或辐射) 除与温度有关外，还与波长有关的 物体为选择吸收体；称那些吸收( 或辐射) 本领与波长无关的物体为灰体。 绝对黑体的吸收系数l o = i ，反射系数b0 = 0 ，理想的绝对黑体在自然界中是不存 在的，人们为科学研究和实验所需已能设计出吸收系数为0 9 9 土0 o l 的近似黑体。 绝对黑体在任何温度下都能全部吸收辐射到其表面的全部辐射能；同时它在任何 一个温度上，它向外辐射的辐射出射度( 简称辐出度) 亦最大；其它物体的辐出度总小 于绝对黑体。在同一温度t ，某一物体在全波长范围的积分辐射出射度m ( t ) 与绝对 黑体在全波长范围的积分幅射出射度m o ( t ) 之比，称该物体的全辐射率( 或称全辐射 系数) e ( t ) ，其值在o 1 之间。 在任一温度t 和某个波长 下，物体在此波长的光谱幅射出射度与黑体在此波长 的光谱幅射出射度之比值称光谱( 单色) 幅射度，用e ( x ，t ) 表示，简写成e 。 物体光谱幅射度的大小，不仅与温度、波长有关，而且取决于物体的材料、尺寸、 形状、表面粗糙度等，一个真实物体的幅射系数可表示成 8 。1 ( 3 - 1 ) 式中， b 为物体的反射系数； y 为物体的透射系数。 凡b 、y 不全为零的物体统称为非黑体。 辐射测温的物理基础是普朗克( p t a n c k ) 热辐射定律和斯蒂潘一玻耳兹曼 ( s t e f a n b o l t z m a n n ) 定律。绝对黑体的光谱辐射亮度l ( x ，与其波长x 、热力学 温度t 的关系由普朗克定律确定： “kn 2 而南0 - 2 ) 式中， 物体发出的辐射波长； t 一热力学温度； c i = 2 c 2h 一普朗克第一辐射常数，c i - - - - 3 7 4 18 x 1 0 - 1 6 w m 2 c 2 = h e b 普朗克第二辐射常数，c 2 = 1 4 3 8 7 8 6 x 1 0 - 2 m k 西安建筑科技大学硕士论文 ( 其中，h 为普朗克常数，k 为玻耳兹曼常数，c 为电磁波在真空中的速度。) 如果 波长九与温度t 满足c 2 三l ，则可把普朗克公式简化为维恩( w i e n ) 公式。在温度 低于3 0 0 0 k ，对于波长较短的可见光，用维恩公式替代普朗克公式产生的误差 t 。，则b ： b l ，于是可以用比值b 来确定温度t 。当环造出现烟 尘h 扰或距离发生变化时，由于因此而带来接受的两波段辐射信号的涨落的比率是基 本相同的，双色测温求比的结果并不发生明显变化，因而对测温值的影响很小。 由图3 7 可见，在测量环境中无烟尘干扰时，测温仪接收的两波段信号为v i ( x1 ) 和v l l ( 2 ) ：当烟尘吸收比为5 0 的能量后，测温仪接受的两波段信号也下降5 0 * , 6 ， v i i ( 2 ) 0 0 5 v i ( 2 ) v i i ( 1 ) = 0 5 v i ( 1 ) 也就是说，出现烟尘衰减前后两段信号之比并不发生变化，即比值b ，只于被测物 体的温度有关。在实际现场，产生信号涨落的原因比较复杂，但在许多p a 况下双波段 信号采集求比的方式至少可以大大减少测温值的波动。l a n d 公司认为：由于双色测温仪 由“两个”测温仪组成一个整体，共用一套光学系统，入射的辐射被光学仪器分成“r 型光线到两个探测器。尽管在技术上非常具有吸引力，但该仪器本身具有不可克服的 缺点，认为对于许多难以测量辐射率的物体来说，其辐射率均与波长有关，因此由测 量同一物体时发射率相同这一假设所带来的误差相当大。 v l v l “n v u k 2 翻蕞长 图3 7 烟尘吸收对双色信号的衰减 1 6 西安建筑科技大学硕士论文 目前，对较高温度( 1 0 0 0 0 c 1 8 0 0 0 c ) 的测量，普遍使用金属热电偶温度计进行直 接测量，如钨铑热电偶等。和使用金属热电偶温度计进行接触式测量不同，辐射温 度计( 红外温度计) ，光学高温计等一些方法都采用的是非接触式测量。很早以前就有 人提出，将窥视管插入高温炉内的气相介质中或高温液态金属中，把此窥视管作为黑 体空腔，用辐射温度计瞄准它的底部，即可获得与热电偶相同测点的温度信息。这就 是用辐射温度计代替铂铑等贵重金属热电偶的最初设想，是一种接触式高温测量与非 接触式高温测量技术的有机结合。用前置黑体空腔的辐射温度计代替铂铑热电偶另一 个重要问题是原热电偶测得的是测量点的真实温度，而辐射温度计测得的是黑体空腔 顶部的亮度温度，此亮度温度与该点真实温度的差值，即前置黑体空腔本身的精度如 何，是不可回避的重要问题。 辐射测温所具有的无接触、自动和便于在线检测的优点使其倍受产业部门的重视。 在其测量过程中，光学系统收集的光信号经光电转换成直流电信号，进行放大等处理 后，方能显示出辐射体的温度。为了防止小信号直流放大的困难，常需将与光学系统 紧密连接在一体的光学元件靠近辐射体，以便获得尽可能大的光信号，然而辐射体附 近存在高温度、电磁干扰强等恶劣环境，致使光电元器件等电子部件无法适应这种现 场，辐射测温出现困难。光纤具有耐高温、绕性好和抗电磁干扰等优点，因此目前有 大量的工作在研制采用比色测温仪。 然而辐射测温每点价格3 0 0 0 元左右，这是令厂家不能接受的价格。 3 2 国内外对大型炉窑温度测量的研究状况 在国内外有许多企业和研究所对高炉、转炉、加热炉、回转炉等大型炉窑温度高 温测量问题进行了研究和讨论，并取得了许多成果。 3 2 1 黑体光纤红外辐射温度计僵啦! ) 它是将光纤技术，接触式与非接触式测温技术结合起来，即将套管、透镜及光纤 组成一体，再与显示仪表连接。构成接触式辐射温度计，也称黑体传感器式辐射温度 计。w f i - i t 采用碳化硅等套管，插入热电偶测温的相应位置，形成黑体空腔，再用红外 辐射高温计，通过光纤瞄准黑体空腔底部( 靶面) ，由于黑体空腔靶面近似于黑体辐射， 因此本温度计可测得真实温度。 ( 1 ) 特点 该测温仪是由黑体空腔( s i c 管) 、光纤及辐射温度计组成。兼有接触式、非接触式 两种温度计的优点，具有测量温度、响应速度快、抗干扰能力强、安装使用方便等优 点，适于加热炉窑的温度测量。如用于取代铂锗热电偶，可减少测温费用，具有节能、 降耗等优点。 1 7 西安建筑科技大学硕士论文 ( 2 ) 技术指标 a 测温范围：6 0 0 - 13 0 0 。c ，8 0 0 - 1 6 0 0 0 c ，1 0 0 0 一2 0 0 0 0 c b 标定精度：0 5 耻1 o ： c 响应时间： 0 7 时，t 1 三极管导通，t 2 三极管截止，b 点为低电平，c 点为高电平；当u a = u b e 0 7 v 时， t 1 三极管截止，t 2 三极管导通，b 点为高电平，c 点为低电平。 交流过零检测电路图中各点的电压波形如图4 3 所示。 b 点 c 点 图4 2 交流过零检测电路图 3 8 0 v 厂、厂、 厂、 l 1 图4 3 交流过零检测电路中各点的电压波形图 西安建筑科技大学硕士论文 可控硅交流调压电路如图4 4 所示。 负载两端的电压是由可控硅的导通角控制的。a t 8 9 c 5 1 产生可控硅控制的移相脉 冲，移相角得改变实现导通角的改变，即当移相角较大时，可控硅的导通角较小，输 出电压较低；当移相角较小时，可控硅的导通角较大，输出电压较高。 当a t 8 9 c s l 的p 2 7 位低电平时，9 0 1 2 三极管导通，三极管集电极电流驱动光电 耦合器导通，使可控硅的g 极产生脉冲信号触发可控硅导通；当a t 8 9 c 5 1 的p 2 7 位 高电平时，9 0 1 2 三极管，光电耦合器，可控硅都处于截止状态。可控硅可控硅导通角 控制电路中各点波形如图4 5 所示。 p 1 o o p 1 1 p 1 2 p 1 3 p 1 4 p 1 5 r s t e a 澎 篇 n m x t l 2 x t a l l 1 2 1 g n d p 2 0 a t 8 9 c 5 l a 点 b ，c 点 d 点 e 扇c 图4 4 可控硅调压电路图 图4 5 可控硅导通角控制电路中各点波形图 4 1 4 触发脉冲与主电路的同步 所谓同步，指触发脉冲和加于可控硅的正向电压之间必须保持一致和固定的相位 西安建筑科技大学硕士论文 关系。实现方法是通过同步变压器的不同接线组别向各触发单元提供相位互差的同步 交流电压，确保变流装置中各可控硅可以按规定的顺序获得触发脉冲及有序地工作。 同步的概念有两个含义：一是触发脉冲的频率与主电路的频率必须一致；二是输出触 发脉冲的相位要符合主电路电压相位的要求。前者由于主电路整流变压器与触发电路 的同步变压器连接同一电网，故两者频率一样。后者是通过同步变压器的不同接线组 另l j 向各触发单元提供相应的交流电压。 4 1 5 可控硅的保护设计 可控硅是整流装置的核心器件，但它不如接触器等电器可以有较强的过载能力， 而往往由于短时的过电压或过电流，会造成可控硅的永久损坏，使设备不能正常运行。 所以，设计以可控硅安全运行为主要目标的保护措施是必要的。这些保护措施应总体 设计合理，器件选型正确，驱动控制合理，同时考虑故障时，器件不要损坏，故障不 能扩大。 4 2 模数转换器a d 4 2 ，l 模数转换技术及其发展 随着电子技术的迅速发展以及计算机在自动检测和自动控制系统中的广泛应用，利用 数字系统处理模拟信号的情况变得更加普遍。数字电子计算机所处理和传送的都是不连续 变化的数字信号，而实际中遇到的大都是连续变化的模拟量，模拟量经传感器转换成为电 信号的模拟量后，需经模数转换变成数字信号才可输入到数字系统中进行处理和控制， 因而作为把模拟电量转换成数字量输出的接口电路 d 转换器是实现世界中模拟信 号通向数字信号的桥梁，是电子技术发展的关键所在。当前，为了适应计算机，通讯和多 媒体技术的飞速发展以及高新技术领域的数字化进程不断加快。a d c 在工艺、结构、性能 上都有了很大的进步。在朝着低功耗、高速、高分辨率的方向发展。 目前，世界上有多种类型的a d c ，有传统的并行，逐次逼近型、积分型a d c 。也有 近几年发展起来的流水线型，多种类型的a d c 各有其优缺点，并能满足不同的具体应 用要求。低功耗、高速、高分辨率是新型a d c 的发展方向，同时a d c 的这一发展方向 将适应现代数字电子技术的发展。任何a d c 都包括三个基本功能：采样保持、量化和 编码。采样过程将模拟信号在时间上进行离散化，使之成为采样信号；量化将采样信 号的幅度离散化使之成为数字信号；编码则是将数字信号最终表示成数字系统所能接 受的形式。如何实现这三个功能就决定了a d c 的形式和性能，同时，a i ) c 的分辨率越高， 需要的转换时间就越长，转换速度就越低，故a d c 的分辨率和转换速率两者总是相互 制约的。因而在发展高分辨率和转换速率两者都要兼顾到，在此基础上还要考虑功耗、 西安建筑科技大学硕士论文 体积、便捷性、多功能与计算机及通讯网络的兼容性以及应用领域的特殊要求等问题， 这样也使得a d c 的结构和分类错综复杂。目前，a i ) c 集成电路主要有以下几种类型。 1 并行比较a i ) c 并行比较a d c 是实现速度最快的模数转换器，采样速率在i g s p s 以上，通常成为 “闪烁式”a d c 。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。这种结构的 a d c 所有位的转换同时完成，其转换时间主要取决于比较器的开关速度，编码器的传输 时间等。增加输出代码对转换时问的影响较小，但随着分辨率的提高，需要商密度的 模拟设计以实现转换所必需的数量很大的精密分压电阻和比较器电路。输出数字增加 一位，精密电阻数量就要增加一倍，比较器也近似增加一倍。例如，1 3 位的a i ) c 需要2 “ 个精密电阻和2 “个并联比较器，分压电阻网络彼此相差1 个最低有效位v , 2 一。 闪烁式a d c 的分辨率受管芯尺寸、过大的输入电容、大量比较器所产生的功率消 耗等限制。结构重复的并联比较器如果精度不匹配，还会造成静态误差，如会使输入 失调电压增大。同时，这一类型的a d c 由于比较器的亚稳态、编码气泡，还会产生离 散的、不精确的输出即所谓的“火花码”，这类a d c 的优点是模数转换速度最高， 缺点是分辨率不高，功耗大，成本高。现代发展的高速a d c 电路结构主要采用这种全 并行的a d c ，但由于功率和体积的限制，要制造高分辨率闪烁式a d o 构成较高分辨率的 半闪烁式a d c 或分级型a d c 是当今世界制造高速a d c 的主要方式。8 位的两极并行半闪 烁式a d c 的转换过程分为两步：第一步是粗化量化。先用并行方式进行高4 位的转换， 作为转换后的高4 位输出，同时再把数字输出进行d a 转换，恢复成模拟电压。第二 步是进一步细化量化。把原输入电压与d a 转换器输出的模拟电压相减，其差值再进 行低4 位的a d 转换。然后将上述两级a d 转换器的数字