普通电阻加热炉的设计.doc

普通电阻加热炉的设计讲解人：马卫东1.1目的 普通电阻加热炉一般是在高温条件下进行工作的，如若要设计此类炉子必须首先要掌握高温的基本知识及其测量方法，本讲解内容主要针对我公司非热加工专业人员的一般机械设计工程师而编制的。勿需讳言，公司新加盟的机械工程师大多属于“非内行”设计人员，“非内行”是指设计师不了解热加工工艺及工序。这些设计师们往往设计的产品对使用方来说总是非常蹩脚，因此对于他们来说在设计普通电阻加热炉前，掌握基本的热加工工艺及其相关知识也是十分重要的。 目的如下：（1） 掌握高温炉的结构、电热体、加热原理；（2） 掌握热电偶的测温原理、测温方法、高温炉恒温带的测量；1.2普通电阻加热炉类型 我们所讲的普通电阻加热炉属于工业炉，而非是锅炉，常见的锅炉不属于此类高温工业炉范畴，锅炉属于能源转化设备，例如：采暖锅炉是将煤转化为热能。而工业炉是利用其它能源对工件或物料进行加热，以达到对工件或物料进行处理的目的。例如：为改善机械零件性能的热处理炉，需要对特殊零件进行焊接的钎焊炉，对粉末冶金类零件进行烧结的烧结炉等等.相关这些炉子一般称为工业炉。 根据工业炉所用能源供给形式通常分为两类：一是燃料加热炉，二是电阻加热炉。获得高温的设备一般称高温炉，现在使用高温炉的能源大部分是电能。由于当前全球环境不断恶化的要求，各国限制CO2的排放几乎成为共识，因此对于使用燃气的工业炉而言，其发展前景暗淡，所以一般高温炉在某种实际意义上就是指电阻加热炉。 根据加热方式的不同，电炉又分为电阻炉、电弧炉、电子束炉等等。其中用得比较多的是电阻炉 。在电阻炉中又分为管式炉、坩埚炉、马弗炉等等。 电阻炉按传热方式又分为辐射式、对流式及传导式。辐射式电阻炉是以辐射传热为主，对流较少。对流式电阻炉是以对流传热为主，辐射为辅，这些炉型一般称作空气循环炉，此类炉型常用于650以下的低温。当工件加热时加热介质不是空气而为其它介质时，如：加热介质是融化的盐、碱或流动粒子时，此种状态是以传导和对流两种方式对工件加热。此类炉型是我们常见的盐浴炉、碱浴炉。 依据热工制度工业炉又分周期炉和连续炉。周期炉一般是按单班、两班生产。连续炉一般是按三班连续生产。 依据炉内气氛，又细分出了氧化性气氛状态下的电阻炉【这是本讲解主要内容】、真空状态下的真空电阻炉、气氛状态下的可控气氛电阻炉、流动粒子炉等等。 依据装料形式，电阻炉又分为卧式电阻炉、立式电阻炉等炉型。1.3一般电阻炉的结构 工业电阻炉一般由炉衬部分即隔热+耐火层、炉架、加热元件、测温及控温系统、供电系统、机械传达系统、导流系统等部分组成，无论那种形式，它们结构基本一致。如图1-1所示。图1-1 一般工业电阻炉炉体结构 如上图所示，图中加热元件是用来将电能转换成热能的主要部件，耐火及绝热材料起隔热保温作用。为了使炉膛达到所期望的温度并在有效工作区域有合适的温度均匀性，例如：期望炉内温度到达1200，温度均匀性要求控制在5以内，此时炉子设计时除了要考虑布置合理的加热元件以外，还需要增设循环对流导流系统，以便达到最佳的效果温度场。此外，炉体还包括炉架、炉壳、料车、接线柱等。炉壳内包容了耐火及绝缘隔热材料，炉胆支撑炉体。一般工业炉大多含机械传动系统，如炉门升降机构，物料传送机构等等。接线柱用于将电源和电热元件连接。测温及控温系统是炉子温度精度保证的核心内容，一般由二次仪表保证。 1.4电阻炉设计原理 电阻炉是一个将电能转换成热能的设备及综合装置，依据焦耳定律，当电流I流过电阻R的导体时，经过时间t便可产生热量Q：Q=0.24I2Rt (cal) (1-1) 通过以上公式可见：我们控制I、R、t三个参数就等于控制了Q值。即可达到控制发热体的目的。在设计技术前，一定要牢记：为了达到增加热量值并不是意味着无限度地增加发热元件的电阻值，这往往会增加炉子的制造成本。如适当增大发热元件的电流，发热量将会成倍增加。这便是电阻炉设计原理上需要掌握的精髓。 因此合理地选用电热元件更为重要，依据设计原理首先要计算出必须的、合理的R值和足够的I值，确保在工艺及使用需要时，在规定的时间t内产生足够的热量Q，达到设备所要求的温度。这里需要强调的是：选择R值固然重要，但更为重要的是选择I值。 另一方面，即使电热元件能够发出足够的热量，设备不一定能够达到我们所需要使用的温度，之所以电炉未能达到所要求的高温，乃是因为在很大程度上取决于电炉的隔热保温状况。炉子少散热或极少散热才是更为至关重要的事情。实际上所有经验的工程师都知道：设计电炉的正确使用温度，除了取决于炉子的供热量以外，更重要的是取决于炉子的散热量。因此设计炉子的保温能力，如何合理选择保温材料的厚度，最大限量地减少热量损失是工业炉设计工程师首选的、必要的措施之一。 电热元件一般分为金属和非金属两大类。在金属电热元件中常用的有铁铬铝合金和镍铬合金、铂-铑、钼、钨、钽电热体等等，非金属的有石墨电热体、碳化硅电热体等等。 （1）铁铬铝合金电热元件 目前国产的、常见的有三种牌号：Cr25Al5、Cr17Al5、Cr13Al4等,其合金性能见表1-1，随着技术进步，含Mo等其它铁铬铝合金电热元件牌号越来越多，它们适用于1000-1300的温度范围内工作，甚至更高，有些新材料可达1400以上。它们抗氧化性好、易加工、电阻大，电阻温度系数小，价格低廉。在高温下能生成Cr2O3的致密的氧化膜，阻止空气对合金的进一步氧化，但不宜在还原气氛中使用，另外还应尽量避免与碳、酸性介质、水玻璃、石棉及有色金属等接触，以免破坏保护膜。这种电热体的主要缺点是高温强度低，经常时间在高温工作后，加热元件由于晶粒长大而变脆。 （2）镍铬合金电热体 这类合金电热体适用于1000以下的温度，其型号为Cr20Ni80 、Cr15Ni60等，其性能见表1-1。此种材料易加工、有较高的电阻率和抗氧化性，在高温下能生成Cr2O3或NiCr4氧化膜，但不宜再还原气氛中使用。Ni-Cr合金经高温使用后，只要没有过烧仍然很柔软。表1-1：Ni-Cr,Fe-Cr-Al合金性能合金种类成份wt Cr成份wt Al成份wt Ni成份wt Fe比重20电阻系数/m熔点电阻温度系数1/导热系数KJ/m.h热膨胀系数1/最高使用温度常温加工性能Cr25Al523-274.5-6.5余量7.11.451500(3-4)*10-560.2515*10-61200裂纹Cr17Al516-194-6余量7.21.315006*10-560.2515.6*10-61000裂纹Cr13Al413-153.5-5.5余量7.41.26145015*10-560.2516.5*10-6850裂纹Cr20Ni8020-2375-78余量8.41.1114008.5*10-560.2514*10-61100良好Cr15Ni6015-1855-61余量8.151.1139014*10-545.1913*10-61000良好非金属电热元件有碳化硅制品、硅钼制品和石墨注：以上3种电热元件在今后讲解中再详细论述。 （3）耐火材料和保温材料 为了获得稳定的高温必须具备两个条件，一是要有电热体即热源，二是包围电热体以防热量向外散失的绝缘体。 耐火材料：在高温电阻炉中，发热元件本身温度较高，一般可达1400以上，炉膛结构需要布置合适的耐火材料。胜任耐火材料必须具备以下条件：高的耐火度、结构致密、高温条件下强度好、无明显挥发、不与炉内工作气体发生反应。 表1-2列出了常用的耐火材料主要物理性能。主要有高铝砖、刚玉管、1600硅酸铝纤维板等等。表1-2：常用耐火材料材料名称耐火度荷重软化点(2Kg/cm 2)使用温度体积密度(g/cm3)主要用途石墨制品300020001.6高温电阻炉耐温部件硅砖1690-17101620-16501000-16301-9电阻炉炉膛内层耐火黏土砖1610-17301250-140014001.8-2.2电阻炉炉底用砖高铝砖1750-17901400-15501650-16702-3.2电阻炉炉膛内层刚玉制品20001240-18501600-16702.96-3.10高温电阻炉耐火部件镁砖20001470-15201650-16702.5-2.9电阻炉炉膛内层轻质粘土砖1670-171012001200-14000.4-1.3电阻炉炉膛内层硅酸铝纤维160016501600-16500.35电阻炉炉膛内层硅藻土砖1280900-9500.45-0.65保温材料：为了减少热损失和增加炉温的稳定性，常常在炉壳内填入保温材料，他们必须是具有导温系数小、气孔率大、具有一定的耐火度。按温度使用可分为：A高温保温材料大于1200，B900-1000，C低于900三大类，有关材料见表1-3。 高温保温材料常用的有轻质粘土砖（1150-1400），轻质硅砖不大于（1500），轻质高铝转不大于（1350），硅酸铝纤维板（1200-1400）等等。中温的保温材料常用的有：轻质珍珠岩和蛭石。 低温保温材料有石棉、矿渣棉等，石棉是很普通的隔热材料，其化学成分为含水硅酸镁，矿渣棉是将冶金熔渣用高压蒸汽吹成纤维状在空气中迅速冷却而得到的人造矿物纤维。 现在随着技术进步，目前已开发出最好的保温材料是一种高铝纤维棉，它质轻柔软似棉花，保温性能很好，使用温度最高可达1600 当然，硅酸铝纤维毡也以较佳保温性能被大量使用。 因此目前可供我们选择的新型保温材料大量出现，使我们开拓了设计视野，摒弃过去使用耐火砖和珍珠岩的概念，尽可能的选择最新材料，隔热保温性能会大大提高，这样我们工业炉制造除了将会变得越来越轻外，而且越来越节约能源。表1-3常用保温材料性能材料名称容量(Kg/m3)最高使用温度主要用途硅藻土砖、管、板50050900电阻炉保护层膨胀蛭石100-3001000电阻炉保温层填料石棉板1150600电阻炉炉底、炉壳、顶等，密封材料矿渣棉150-180400-500电阻炉保温层填料硅酸铝纤维2591000电阻炉保温层填料矿渣棉砖、管、板350-450400-500电阻炉保温层材料磷酸盐珍珠岩制品2201000电阻炉保温层材料玻璃纤维300750低温电阻炉保温层填料1.5电阻炉的计算与设计 根据不同工件大小的不同尺寸需要，设计制造的电阻炉可分为小型电阻炉、中型电阻炉、大型电阻炉。随着炉膛尺寸的加大，炉子加热功率将会相应的增加。 根据不同工件大小的不同温度需要，设计制造的电阻炉可分为低温电阻炉、中温电阻炉、高温电阻炉。随着炉子温度的增高，炉子加热功率也将会相应的增加。 因此加热功率一般是由炉膛内部尺寸大小及工作温度决定的。当然还有一个重要参数也对确定功率大小起作用那就是加热时间，也就是我们常说的升温速率。 常见的电阻炉的功率一般在10KW-1000 KW范围不等，有时可能更高。我们这里所讲的电阻炉计算与设计主要包括功率的确定，电热体的选择，耐火材料和保温材料的选择。 （1）电阻炉功率的确定 电炉功率是从能量角度上衡量电炉大小的一个指标。如何将功率设计的恰到好处是一个重要的事情。设计太大将会造成不必要的浪费，设计太小将会使炉子达不到温度要求或者升温缓慢，达不到工艺要求。 确定设备功率方法较多，无论选用那种，归纳起来只有两种：热平衡计算法和经验计算法。实际上，由于电炉散热条件的复杂性，环境温度的可变性，要想从理论上确定炉子的功率消耗和炉子在一定功率输入下所能达到的温度事实上是非常困难的一件事情，即便使用计算机的手段，精确计算事实上根本做不到。 故一般都靠一些经验的、半经验的方法，再借助热平衡方程式，即辅助能量平衡的基本概念来确定。 下面介绍的内容将是一个极为简单的功率确定的经验的方法例如：对于一个圆形炉膛【炉膛形状根据要求可制造成各型各异的，如方形、椭圆、异性等等】来说，首先要计算出炉胆部分内表面积。假设：炉子为中等保温程度，则可由表1-4的经验数据查出每100cm2加热内表面积所需的功率瓦数，然后乘以被加热炉膛内表面积，即可得到需要的功率。表1-4：不同温度下每100cm2炉管表面所需功率温度6007008009001000110012001300功率w80100130160190220260300示例:由电阻炉内径为10cm，加热部分长为80cm，预计加热到1100，求在中等保温情况下炉子所需功率。首先算出被加热炉膛的内表面积：S=3.14*D*L=3.14*10*80=2513(cm2) (1-2)由表1-4查出1100时，每100cm2炉膛表面积所需功率=220w，所以上述炉管的总功率：(1-3)用这种经验办法计算小型电炉所需功率，虽不十分严格，但实践证明还是很适用的。确定炉子功率的经验方法各种各样，有的以公式形式出现，有的以图表形式出现，无论使用那种，选用的正确就行。对使用热平衡方程式方法以后再详细介绍。 (2)电热元件的计算 根据炉膛所要达到的最高温度和炉子的工作气氛决定电热体的种类。例如要制作一台在空气中使用的炉子【即氧化性气】，最高使用温度为1100的电炉，则可选用Cr25Al5电热丝为发热体，但必须明确，电热元件的最高使用温度是指电热体在干燥空气中表面最高温度，并非指炉膛温度。 由于散热条件不同，一般要求炉膛最高温度比电热体最高使用温度低100-200左右最好。另外，还必须明确的一个重要指标是电热体表面负荷。表面负荷是指电热元件在单位表面积所承担的炉子的功率数。 在一定的炉子功率条件下，电热体表面负荷选的大，则电热体用量就少，但电热体表面负荷越大，其寿命越短，所以选择要适当。表1-5为Fe-Cr-Al和Ni-Cr电热体的表面负荷值，它是电热元件计算的重要参数。在进行电热体计算时，为了使用安全，设计时，电热体允许表面负荷一般取下线，为了使用可控硅调节电压，留出可调余地。工作电压通常以200v计算。下面，以电阻丝炉为例说明计算步骤：炉管尺寸为100*110*1000mm, 要求炉膛温度1100，电压220v，氧化性气氛，炉体中等保温，加热带长度800mm,求电阻丝长度和直径。1）加热带面积的计算加热带内表面积S=*D*L=3.14*10*800=2513cm2 (1-4)功率的计算由表1-4查出，1100时，每100cm2炉管面积所需功率p=220w,所以电炉所需功率： (1-5)2）电热体及其参数的确定根据要求和表1-1，可选择Cr25Al5 铁铬铝丝为电热体，再根据表1-5，Cr25Al5电热体在1100时准许的表面积负荷为10w/cm2。由表1-1查出Cr25Al5在20时的比电阻Po=1.45*mm2/m,温度系数=（3-4）*10-5/，因此1100时的比电阻 (1-6)电热丝直径的计算：对圆线电热丝来说，其直径可按式(1-7)计算： (1-7)式中 ： 在工作温度t时的比电阻*mm/mP炉子的功率 (Kw)W电热体表面负荷 w/cm2V电压 VD电热丝直径 mm把已知数据带入（1-7）式即可得到电热丝直径 （1-8）电热丝长度的计算：电热丝的截面积： (1-9)电热丝电阻： （1-10）电热丝长度： （1-11）式中：R电热体总电阻 ；f电阻丝截面积mm2；L电热体总长度m把已知数据代入（1-9）(1-10) (1-11)可得：表1-5：Fe-Cr-Al和Ni-Cr 电热体的表面积负荷值温度正常表面积负荷（w/cm2）正常表面积负荷（w/cm2）正常表面积负荷（w/cm2）正常表面积负荷（w/cm2）正常表面积负荷（w/cm2）Fe-Cr-Al电热体Fe-Cr-Al电热体Fe-Cr-Al电热体Cr20Ni80电热体Cr15Ni60电热体Cr27Al6Cr27Al5Cr25Al5Cr20Ni80Cr15Ni605005.10-8,403.90-8.402.6-4.22.4-3.45504.75-9.953.66-7.902.4-42.25-3.156004.44-7.503.44-7.352.2-3.82.05-2.956504.05-7.053.15-6.802-3.71.9-2.757003.75-6.602.9-6.251.85-3.51.7-2.557503.45-6.152.70-5.701.7-3.31.55-2.308003.15-5.702.5-5.151.6-3.051.35-2.108502.8-5.252.25-4.601.5-2.751.2-1.859002.5-4.82-4.051.35-2.41.05-1.659502.25-4.351.8-3.51.25-20.9-1.4510001.95-3.901.6-2.91.15-1.50.75-1.2510501.75-3.451.45-2.551.05-1.20.6-1.011001.55-3.001.25-2.201011501.40-2.451.15-1.900.5-0.812001.25-2.001.00-1.65验算： 上面的计算是否正确，可按表面负荷公式验算： (1-12)把有关数据代入（1-12）式，可得：这与设计时选用的表面负荷还小，故可保证安全使用。1.6电阻炉的制作（1）确定匝数并在炉管上缠电阻丝根据上述，选择电阻丝为Cr25Al5,其直径d=3.6mm.总长度L=49m,炉膛外径=110mm, 加热带长度800mm.如果均匀的将电热丝绕在炉管加热带上，则电热丝匝数： (1-13)式中：n匝数 L电热丝总长度 l炉管外圆周长 D炉膛外径匝间距离h=H/n, H为加热带长度，这里为800mm所以：H=800/142=5.6(mm)。根据上面的计算可以在炉管上缠电阻丝，但在缠时应注意将两头各留一米左右电阻丝作为引线，取同一材料的电阻丝作为绑线，另外，为了缠绕均匀，应在炉管上画好匝间距。一般为了保证炉子的恒温带，在缠绕时应按密缠-疏缠-密缠的方法，炉管两端密缠中间疏缠，缠好后的炉管，用Al2O3（经过1300焙烧）粉末加入磷酸或胶水搅均匀，均匀的涂在炉管上，这主要是保护电阻丝高温时不暴露在空气中，延缓电阻丝氧化，另外还起到固定电阻丝作用，在高温时不易脱落，炉管涂好Al2O3后，要阴干24小时。炉子装好后要在100烘4小时，除去水分，400烘4小时把炉子烘干。（2）测定电阻炉的恒温带为了确定炉子的轴向温度分布，在炉子制成后一定要测定炉子的温度分布情况。如图1-2图1-2是测定电炉纵向恒温带的装置略图，首先用控温仪把炉温控制在要求温度附近，此温度应尽量与工作温度相近，将控温热电偶放在炉子中间尽量贴近电热丝，再用一根足够长的热电偶画好刻度，以备测量时使用，假设控温仪温度控制在900，当温稳定在1时，开始将热电偶下插一个刻度，并记录下此点插入深度和温度。例如：表1-6SV900900900900900900900900PV901899900901901900899900插入深度mma BcDeFGh实际温度940956963962960958952945图1-2 测定电炉纵向恒温带的装置示意图当温度稳定后再下插一个刻度，直到最高温度点出现后，再测到和起始点温度差不多点出现时，测试完毕。用插入深度和实际温度作图。所谓炉子的恒温带是指具有一定恒温精度的加热带长度。因此在得出炉子恒温带的同时，还要指出炉子其工作温度与恒温精度。利用表1-6试求ah和bg长度上的恒温带。在ah两点之间共测八个点，其平均值为： （） （1-14）式中：ti为各点温度测定值n为测定点数ti为各测量点值与平均值之差，则其算术平均值偏差t为:（） （1-15）所以ah两点之间的恒温代为9546。用同样的方法bf间的恒温带为9592，由此可见，恒温带的恒温精度与恒温带的长度有关，恒温带越短精度越高。当然恒温带要满足式样的要求。1.7温度的测量-热电偶所谓二次仪表是由热电偶、控温仪表和补偿导线组成。此种类型的温度测量方法具有结构简单、精度高使用方便，适用于远距离测量和自动控制等优点，因此，无论是在生产和实验中，热电偶都是主要的测温工具。（1）热电偶的工作原理热电偶是热电高温集中的敏感元件，实际上它是一种换能器，本质上说是将热能转换成电能来用于测量和控制的，所以可用热电偶所产生的热电势来计算温度。其工作原理是：在一个由两种不同金属导体A和B组成的回路中，如果t1t0,这时毫伏计将指示出一个数值（图1-3）这个数值就称为热电势，即为Eab，导体A和B称为热电偶的热电极。1端称为工作端或测量端，2端称自由端或参考端、冷端。当A、B两种材料选定后，则热电偶的热电势仅与两导体接点1、2处的温度有关。它们的分电势为eAB(t1),eAB(t0)。总电势如式（1-16）：EAB(t1to)=eAB(t1)-eAB(t0) (1-16)当自由端温度恒定时，则eAB(t0)为常数，那么 EAB(t1to)=eAB(t1)-C=f(t1) (1-17)式中当C=0时EAB(t1t0)=eAB(t1)，故通过测量热电势即可达到测温的目的。通常to保持在0EAB(t10)的数值可由数字电压表读出，所对应的温度值可以从“热电偶毫伏对照表”查出，所测温度也可用温度显示仪直接显示，若冷端温度不为0，则需对其修正。（2）热电偶材料用作热电偶的材料应由如下条件；1) 热电势与温度的关系是线性关系；2) 产生的热电势数值要高且稳定，并有重现性；3) 热电偶的材料要有抗腐蚀性和一定的机械强度，易于加工。在常使用的的热电偶中，又分标准热电偶和非标准热电偶，国内常用标准热电偶的特性如表1-7所示。非标准热电偶使用较为普遍的是钨铼和铂铑系见（表1-8），国内生产钨铼热电偶为WRe(5/20),钨铼热电偶从1370起灵敏度开始下降，在2000分度时，数据分散，因此，使用温度应在2000以下，WRe(5/20)热电偶丝的均匀性差，无互换性，每批生产出的分度是不同的，在使用时应特别注意。表1-7：常用标准热电偶特性热电偶名称分度号热电及材料使用温度使用条件极性识别化学成分长期短期铂铑10铂LB-3+较硬Pt90,Rh1013001600氧化性，中性气氛柔软Pt10013001600铂铑30铂铑6LL-2+较硬Pt70,Rh3016001800氧化性，中性气氛柔软Pt94,Rh6镍铬镍硅EU-2+不亲磁Cr9-10,sioo.4,Ni9010001200氧化性，中性气氛稍亲磁Si2.5-3,Co0.6,Ni97镍铬考铜EA2+色较暗Cr9-10,sioo.4,Ni90600800银白色Cu56-57,Ni43-44铜考铜CK+红色Cu100200300银白色Cu55,Ni45 表1-8：非标准热电偶特性热电偶种类极性热电极成分（质量分数使用温度/备注长期短期铂铑20/40+Pt80,Rh2017001900在氧化性、中性气氛使用，热电势小-Pt60,Rh40铂铑5/20+Pt95,Rh516001800在氧化性、中性气氛使用，热电势小-Pt80,Rh20钨铼（5/26）+W95,Re523002700在真空，惰性和弱还原气氛中使用-W74,Re26钨铼（5/20）+W95,Re520002400在真空，惰性和弱还原气氛中使用-W80,Re20（3）热电偶的使用热电偶使用前，工作端（热端）必须焊在一起，常用的焊接方法有：1) 直流电弧；2) 盐水焊接（见图1-4）；3) 氩弧焊，适用于钨铼热电偶。图1-4 热电偶盐水焊接示意图热电偶测温时，通常使用绝缘管和保护套管，以使两极分开避免热电极与被测介质接触。在冶金高温试验时，通常用双孔细刚玉管作为绝缘管将两根热电极分开，用一端封闭的刚玉管作为热电偶的保护套管。热电偶使用一段时间后，其热电特性会发生变化，因此需送热电偶检定部门进行校正，以保证测温精确。在实际测温中，热电偶的基本测温线路如图1-4所示。所测的热电势可以再分度表上查出相应的温度值。例如，铂铑10-铂热电偶0-30的分度表如表1-9所示。表1-9 铂铑10-铂热电偶分度表（分度号：LB3）(自由端温度为0)工作端温度0123456789mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏mv(绝对伏00.00000.0050.0110.0160.0220.0280.0330.0390.0440.050100.0560.0610.0670.0730.0780.0840.0900.0960.102.107200.1130.1190.1250.1310.1370.1430.1490.155.1610.167300.1730.1790.1850.1910.1980.2040.2100.2160.2220.229标准热电偶的分度表示治自由端为0时的热电势，实际测温条件下自由端不一定是零度，由此会带来误差，应该加以修正。自由度温度的修正方法：当自由端温度t10。但恒定不变或变化很小时，可采用计算法进行休整。此时热电偶实际的热电势应为测量值与修正值之和，即：EAB(t1,to)=EAB(t,t1)+EAB(t1,to) (1-18)式中：EAB(t,t1)当自由端温度为t1时，测温仪表的读数：EAB(t1,to)当自由端温度为t1时的修正值；例如：用铂铑10-铂热电偶测温时，自由端温度t1=30,在直流电位差计上测得的热电势E(t,30)=13.542mv,试求炉温。由LB-3分度表查得E(30,0)=0.173mv 。由式（1-18）可得：EAB(t,t0)=EAB(t,t10+EAB(t1,t0)=13.542+0.173=13.715mv再由LB-3分度表查得13.715mv为1350。若自由端不修正，测得13.542mv对应的是1336，与实际温度1350相差14。1.8温度的控制我们生活的空间内到处有有自动控温设备，如电冰箱、空调、恒温水浴等等，当然我们今天要讲的高温电阻炉。现在这些自动控温设备中多数采用电子调节系统进行温度控制，电子调节系统具有控温范围广、可任意设定温度、控温精度高等优点。控温原理见图1-5图1-5 电子调节系统的控温原理电子调节系统种类很多，但从原理上讲，它必须包括三个基本部件，即变换器、电子调节器和执行机构。变换器的功能是将被控对象的温度信号变换成电信号;电子调节器的功能是对来自变换器的信号进行测量、比较、放大和运算，最后发出某种形式的指令，使执行机构进行加热或致冷（见图1-5）。电子调节系统按其自动调节规律可以分为断续式二位置控制和比例-积分-微分控制两种，简介如下:1.断续式二位置控制 我们常用的电烘箱、电冰箱、高温电炉和恒温水浴等，大多采用这种控制方法。变换器的形式分为:(1) 双金属膨胀式图1-6 双金属膨胀式温度控制器示意图利用不同金属的线膨胀系数不同，选择线膨胀系数差别较大的两种金属，线膨胀系数大的金属棒在中心，另外一个套在外面，两种金属内端焊接在一起，外套管的另一端固定，见图1-6。在温度升高时，中心金属棒便向外伸长，伸长长度与温度成正比。通过调节触点开关的位置，可使其在不同温度区间内接通或断开，达到控制温度的目的。其缺点是控温精度差，一般有几K范围。(2)若控温精度要求在1K以内，实验室多用导电表或温度控制表（电接点温度计）作变换器(见图1-7)。图1-7 电子继电器线路图 Re为220V、直流电阻约2200的电磁继电器1.电接点温度计；2.衔铁；3.电热器。继电器多采用以下几种:a.电子管继电器电子管继电器由继电器和控制电路两部分组成，其工作原理如下:可以把电子管的工作看成一个半波整流器（图II-1-13）， 并联电路的负载，负载两端的交流分量用来作为栅极的控制电压。当电接点温度计的触点为断路时，栅极与阴极之间由于 的耦合而处于同位，即栅极偏压为零。这时板流较大，约有18mA通过继电器，能使衔铁吸下，加热器通电加热;当电接点温度计为通路，板极是正半周，这时 的负端通过 和电接点温度计加在栅极上，栅极出现负偏压，使板极电流减少到2.5mA，衔铁弹开，电加热器断路。因控制电压是利用整流后的交流分量，Re的旁路电流C1不能过大，以免交流电压值过小，引起栅极偏压不足，衔铁吸下不能断开; C1 太小，则继电器衔铁会颤动，这是因为板流在负半周时无电流通过，继电器会停止工作，并联电容后依靠电容的充放电而维持其连续工作，如果C1太小就不能满足这一要求。C2用来调整板极的电压相位，使其与栅压有相同的峰值。R2用来防止触电。电子继电器控制温度的灵敏度很高。通过电接点温度计的电流最大为30A，因而电接点温度计使用寿命很长，故获得普遍使用。b.晶体管继电器随着科技的发展，电子管继电器中电子管逐渐被晶体管代替，典型线路见图-1-14。当温度控制表呈断开时，E通过电阻 给PNP型三极管的基极b通入正向电流 ，使三极管导通，电极电流 使继电器J吸下衔铁，K闭合，加热器加热。当温度控制表接通时，三极管发射极e与基极b被短路，三极管截止，J中无电流，K被断开，加热器停止加热。当J中线圈电流突然减少时会产生反电动势，二极管D的作用是将它短路，以保护三极管避免被击穿。c.动圈式温度控制器由于温度控制表、双金属膨胀类变换器不能用于高温，因而产生了可用于高温控制的动圈式温度控制器。采用能工作于高温的热电偶作为变换器，其原理见附图-1-15。热电偶将温度信号变换成电压信号，加于动圈式毫伏计的线圈上，当线圈中因为电流通过而产生的磁场与外磁场相作用时，线圈就偏转一个角度，故称为“动圈”。偏转的角度与热电偶的热电势成正比，并通过指针在刻度板上直接将被测温度指示出来，指针上有一片“铝旗”，它随指针左右偏转。另有一个调节设定温度的检测线圈，它分成前后两半，安装在刻度的后面，并且可以通过机械调节机构沿刻度板左右移动。检测线圈的中心位置，通过设定针在刻度板上显示出来。当高温设备的温度未达到设定温度时，铝旗在检测线圈之外，电热器在加热;当温度达到设定温度时，铝旗全部进入检测线圈，改变了电感量，电子系统使加热器停止加热。为防止当被控对象的温度超过设定温度时，铝旗冲出检测线圈而产生加热的错误信号，在温度控制器内设有挡针。 图1-8 晶体管继电器 图1-9 动圈式温度控制机构 2.比例-积分-微分控制（简称PID） 随着科学技术的发展，要求控制恒温和程序升温或降温的范围日益广泛，要求的控温精度也大大提高，在通常温度下，使用上述的断续式二位置控制器比较方便，但是由于只存在通断两个状态，电流大小无法自动调节，控制精度较低，特别在高温时精度更低。20世纪60年代以来，控温手段和控温精度有了新的进展，广泛采用PID调节器，使用可控硅控制加热电流随偏差信号大小而作相应变化，提高了控温精度。PID温度调节系统原理见附图1-10: 图1-10 PID温度调节系统方框图炉温用热电偶测量，由毫伏定值器给出与设定温度相应的毫伏值，热电偶的热电势与定值器给出的毫伏值进行比较，如有偏差，说明炉温偏离设定温度。此偏,差经过放大后送入PID调节器，再经可控硅触发器推动可控硅执行器，以相应调整炉丝加热功率，从而使偏差消除，炉温保持在所要求的温度控制精度范围内。比例调节作用，就是要求输出电压能随偏差(炉温与设定温度之差)电压的变化，自动按比例增加或减少，但在比例调节时会产生“静差”，要使被控对象的温度能在设定温度处稳定下来，必须使加热器继续给出一定热量，以补偿炉体与环境热交换产生的热量损耗。但由于在单纯的比例调节中，加热器发出的热量会随温度回升时偏差的减小而减少，当加热器发出的热量不足以补偿热量损耗时，温度就不能达到设定值，这被称为“静差”。为了克服“静差”需要加入积分调节，也就是输出控制电压与偏差信号电压与时间的积分成正比，只要有偏差存在，即使非常微小，经过长时间的积累，就会有足够的信号去改变加热器的电流，当被控对象的温度回升到接近设定温度时，偏差电压虽然很小，加热器仍然能够在一段时间内维持较大的输出功率，因而消除“静差”。微分调节作用，就是输出控制电压与偏差信号电压的变化速率成正比，而与偏差电压的大小无关。这在情况多变的控温系统，如果产生偏差电压的突然变化，微分调节器会减小或增大输出电压，以克服由此而引起的温度偏差，保持被控对象的温度稳定。PID控制是一种比较先进的模拟控制方式，适用于各种条件复杂、情况多变的实验系统。目前，已有多种PID控温仪可供选用，常用型号一般有:DWK-720、DWK-703、DDZ-II、DDZ-II、DTL-121、DTL-161、DTL-152、DTL-154等，其中DWK系列属于精密温度,自动,控制仪，其它是PID的调节单元，DDZ-III型调节单元可与计算机联用，使模拟调节更加完善。PID 代表 Proporti,onal-Integral-Derivative，即比例积分微分，指的是一项流行的线性控制策略。在 PID 控制器中，错误信号（受控系统期望的温度与实际温度之间的差值）在加到温度控制电源驱动电路之前先分别,以三种方式（比例、积分和微分）被放大。比例增益向错,误信号提供瞬,时响应。积分增益求出错误信号的积分，并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音。微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而，在许多情况下，比例积分（PI: Proportional-Integral，没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的 PID 控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间。,onal-Integral-Derivative，即比例积分微分，指的是一项流行的线性控制策略。在 PID 控制器中，错误信号（受控系统期望的温度与实际温度之间的差值）在加到温度控制电源驱动电路之前先分别以三种方式（比例、积分和微分）被放大。比例增益向错,误信号提供瞬时响应。积分增益求出错误信号的积分，并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音。微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而，在许多情况下，比例积分（PI: Proportional-Integral，没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的 PID 控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间。 ,时响应。积分增益求出错误信号的积分，并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音。微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而，在许多情况下，比例积分（PI: Proportional-Integral，没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的 PID 控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间。 ,onal-Integral-Derivative，即比例积分微分，指的是一项流行的线性控制策略。在 PID 控制器中，错误信号（受控系统期望的温度与实际温度之间的差值）在加到温度控制电源驱动电路之前先分别以三种方式（比例、积分和微分）被放大。比例增益向错,误信号提供瞬时响应。积分增益求出错误信号的积分，并将错误减低到接近零的水平。积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音。微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点改变或其它干扰所需的稳定时间。然而，在许多情况下，比例积分（PI: Proportional-Integral，没有微分增益）控制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的 PID 控制器更容易调整到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间。 ,差经过放大后送入PID调节器，再经可控硅触发器推动可控硅执行器，以相应调整炉丝加热功率，从而使偏差消除，炉温保持在所要求的温度控制精度范围内。比例调节作用，就是要求输出电压能随偏差(炉温与设定温度之差)电压的变化，自动按比例增加或减少，但在比例调节时会产生“静差”，要使被控对象的温度能在设定温度处稳定下来，必须使加热器继续给出一定热量，以补偿炉体与环境热交换产生的热量损耗。但由于在单纯的比例调节中，加热器发出的热量会随温度回升时偏差的减小而减少，当加热器发出的热量不足以补偿热量损耗时，温度就不能达到设定值，这被称为“静差”。 为了克服“静差”需要加入积分调节，也就是输出控制电压与偏差信号电压与时间的积分成正比，只要有偏差存在，即使非常微小，经过长时间的积累，就会有足够的信号去改变加热器的电流，当被控对象的温度回升到接近设定温度时，偏差电压虽然很小，加热器仍然能够在一段时间内维持较大的输出功率，因而消除“静差”。微分调节作用，就是输出控制电压与偏差信号电压的变化速率成正比，而与偏差电压的大小无关。这在情况多变的控温系统，如果产生偏差电压的突然变化，微分调节器会减小或增大输出电压，以克服由此而引起的温度偏差，保持被控对象的温度稳定。PID控制是一种比较先进的模拟控制方式，适用于各种条件复杂、情况多变的实验系统。目前，已有多种PID控温仪可供选用，常用型号一般有:DWK-720、DWK-703、DDZ-II、DDZ-II、DTL-121、DTL-161、DTL-152、DTL-154等，其中DWK系列属于精密温度,自动,控制仪，其它是PID的调节单元，DDZ-III型调节单元可与计算机联用，使模拟调节更加完善。PID 代表 Proporti,onal-Integral-Derivative，即比例积分微分，指的是一项流行的线性控制策略。在 PID 控制器中，错误信号（受控系统期望的温度与实际温度之间的差值）在加到温度控制电源驱动电路之前先分别,以三种方式（比例、积分和微分）被放大。比例增益向错,误信号提供瞬,时响应。积分增益求出错误信号的积分，并将错误减低到接近零的水平。积分增