检测技术与仪表课程设计温度检测与控制实验系统设计.docx
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检测技术与仪表课程设计温度检测与控制实验系统设计
本文介绍了一个简单的温度检测与控制系统的设计。
该系统的被控对象为小型加热炉，供电电压为220VAC，功率2KW，被测温度1200度，误差不超过±1℃。
本设计通过热电偶测量加热炉内液体的温度，将热电偶的输出信号直接传输到调节器，该调节器内部集成有变送器，并且可设定给定温度值，本实验为1200度。
调节器将偏差信号变为标准的4—20MA或1—5v电信号。
该信号输出到调功器，可改变晶闸管导通时间，从而调节输出平均电压的大小，实现加热炉温度的控制。
经验证此控制器的性能指标达到要求。
任务书
设计参数：
被测温度1200℃，最大误差不超过±1℃，
设计要求：
（1）.被控对象为小型加热炉，供电电压220VAC，功率2KW，用可控硅控制加热炉温度；
（2）.通过查阅相关设备手册或上网查询，选择温度传感器、调节器、加热炉控制器等设备（包括设备名称、型号、性能指标等）；
（3）.设备选型要有一定的理论计算；
（4）.用所选设备构成实验系统，画出系统结构图；
（5）.列出所能开设的实验，并写出实验目的、步骤、要求等
课程设计评语
设计报告成绩
（30%）
设计过程成绩
（30%）
口试成绩
（40%）
总成绩
一摘要
本文介绍了一个简单的温度检测与控制系统的设计。
该系统的被控对象为小型加热炉，供电电压为220VAC，功率2KW，被测温度1200度，误差不超过±1℃。
本设计通过热电偶测量加热炉内液体的温度，将热电偶的输出信号直接传输到调节器，该调节器内部集成有变送器，并且可设定给定温度值，本实验为1200度。
调节器将偏差信号变为标准的4—20MA或1—5v电信号。
该信号输出到调功器，可改变晶闸管导通时间，从而调节输出平均电压的大小，实现加热炉温度的控制。
经验证此控制器的性能指标达到要求。
二系统框图
本系统中，检测单元热电偶，调节器为集成变送器的数字调节器，执行器为可控硅调功器，被控对象为加热炉，被控参数为温度。
三设备选型
1热电偶
热电偶要求测温度1200度，误差不超过±1℃，所以决定了只能用铂铑等贵金属材料热电偶。
铂铑热电偶又称高温贵金属热电偶，铂铑有单铂铑（铂铑10-铂铑）和双铂铑（铂铑30-铂铑6）之分，它们作为温度测量传感器,通常与温度变送器、调节器及显示仪表等配套使用,组成过程控制系统，用以直接测量或控制各种生产过程中0-1800℃范围内的流体、蒸汽和气体介质以及固体表面等温度。
铂铑热电偶的工作原理是铂铑热电偶是由两种不同成分的导体两端接合成回路时,当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热电流。
如果热电偶的工作端与参比端存在有温差时，显示仪表将会批示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。
基于测温精度要求很高，所以选择s型热电偶，即铂铑-10铂型热电偶。
名称
分度号
允差等级
Ⅰ级
Ⅱ级
允差值
测温范围℃
允差值
测温范围℃
铂铑10—铂
WRS或WRP
WRS或WRPK
S
±1℃或
±（1+（t-1100）*0.003）
0~1300
±1.5℃
或
±0.25﹪
0~1300
由表格知，当选择Ｉ级s型热电偶时，其测温等级可以达到±1℃.本设计选择铂铑-铂WRP系列热电偶。
高温贵金属（铂铑）热电偶
1、应用
适用于各种生产过程中高温场合，广泛应用于玻璃及陶瓷及工业盐浴炉等测温。
2、主要技术参数
电气出口：
M20x1.5,NPT1/2
精度等级：
I、II
防护等级：
IP65
偶丝直径：
Φ0.5
公称压力：
常压
3、型号及规格
型号
分度号
测温范围℃
保护管材料
热响应时间
规 格
d
Lxl
WRP-130
WRP2-130
S
0-1300
高铝质
＜150S
Φ16
300x150
350x200
400x250
450x300
550x400
650x500
900x750
1150x1000
1650x1500
2150x2000
WRP-131
WRP2-131
＜360S
Φ25
WRQ-130
WRQ2-130
R
0-1300
＜150S
Φ16
WRQ-131
WRQ2-131
＜360S
Φ25
WRR-130
WRR2-130
B
0-1600
刚玉管
＜150S
Φ16
WRR-131
WRR2-131
＜360S
Φ25
应系统要求，可选择WRP-130，热响应时间小于150s的Ｉ级热电偶。
2调节器
本设计采用数字调节器，内集成有变送器，可直接接热电偶，将调节后的信号转换为4-20MA或1-5V的标准信号输出。
数字式PID调节器采用了先进的嵌入式微处理器，结构紧凑，功能强；采用遵守CAN2.0A协议的82C250和SJA1000芯片，数据通信快递精确，全数字化，全分散，全开放；具有广泛的适用性，温控范围可达0—1600℃：
精度高，最小可以采样2uV的信号；使用了独立的RAM存储器，各种参数可以随时修改和保存：
面板上设有按键和LED显示屏，可以实时地监测、更改各个参数，操作简单，工作可靠。
本设计选择SDC40A数字指示调节器，其规格说明如下：
SDC40A数字指示调节器
SDC40A小型（96mm×96mm）数字指示调节器是一种高精度指示调节器，可接受热电偶、热电阻、直流电压、直流电流的输入信号并对其进行控制。
规格表
一般功能
记忆材料
半导体不挥发性存储器
电源
85～264VAC,50/60Hz
消耗功率
25VAmax
环境温度
0～50℃
环境湿度
10～90%RH（无结露）
重量
约750g
PV输入（PV1）
类型
热电偶,热电阻,直流电压/电流（国际标准）
采样周期
0.1S
精度
±0.1%FS
偏置
-1000～+1000U（U:
工程单位）
（PV2）
类型
4～20mACC,1～5VDC
指示设定
PV,SP指示
5位7段LED
功能指示
2位7段LED
柱状LED
MV,OK指示,事件指示,RSW监视
设定点数
1或8点可选
量程
可选择
SP限制
下限:
-1999～上限 上限:
下限～26000
控制输出
PID参数组
8（（3D/AK/5K/9K/BK:
4点冷却,4点加热）
PID自动整定
普通自整定/人工神经原+模糊推论整定/智能整定
输出限幅
下限:
0～上限 上限:
下限～100%
变化率限制
0.1～10.0%/100ms
作用方式
正/反作用可选择
SP斜坡
0～26000,单位:
/h,0.1h./min,0.1/min
远程开关RSW输入
通道数
4或12
功能
NOP,READY/RUN,AUTO/MANUAL,REMOTEL/LOCALAT启/停,正/反作用,SP选择（PID参数同时）,MV固定输出输入2的比例号选择,计算机的馈方式1/2
事件EV输入
类型
集电极开路干接点
点数
2（标准型）,3或8（选项）
类型
PV,SP,DEV,|DEV|,MV,MFB（马达位置）,ALarm,回路诊断
输出型式
ON/OFSPST接点
辅助输出（AUX）
回路数
1或2（2G/3D/AK/5K/9K/BK型:
1点）
输出功能
PV,SP,DEV,RSP,MV,MFB
信号
4～20mAbc（负载电阻680Ωmax）
通讯功能
RS-485
附件（单独订货）
81446083-001
硬防尘盖
81446087-001
软防尘盖
81446084-001
端子盖
选型表
序号
选型表
说明
Ⅰ
基本型号
C40A
数字指示调节器
Ⅱ
控制输出
0D
时间比例PID,接点容量:
250VAC,5A（阻性负载）
6D
时间比例PID,电压:
22.5VDC±10%
2G
位置比例PID（M/M驱动继电器,接点容量250VAC）
5G
连续比例PID（4～20mA）
3D
加热/冷却输出,继电器输出+继电器输出
AK
加热/冷却输出,继电器输出+电流输出
5K
加热/冷却输出,电流输出+电流输出
9K
加热/冷却输出.继电器输出+电压输出
BK
加热/冷却输出,电流输出+电压输出
Ⅲ
功能
0
标准型
1
外给定型
2
内部串级型
Ⅳ
电源
AS
90～264VAC,50/60Hz
Ⅴ
选项
（1）
00
无选择
01
4点RSW
02
增加1SPDT事迹
03
4点PSW+1点SPDT
04
4点RSW+1点AUX
05
1点SPDT+1点AUX
06
4点RSW+1SPDT+1点AUX
07
4点RSW+2点AUX
08
1点SPDT+2点AUX
09
4点RSW+1点SPDT+2点AUX
Ⅵ
选项
（2）
0
无选择
1
8点RSW+5点事件（集电极开路输出）
2
8点RSW+事件（集电极开路输出）+RS485
Ⅶ
选项（3）
00
无选择
D0
附测试报告书
T0
热带处理
注:
1）选项
（1）的2点辅助输出不能用于2G/3D/AK/5K/9K/BK选型
2）选项
（1）选项
（2）的组合见下表
3执行器
根据系统要求执行器选择可控硅调功器。
可控硅调功器就是一种以可控硅（晶闸管）为基础，以智能数字控制电路为核心的电源功率控制电器。
简称可控硅调功器。
又称调功器、可控硅调压器、电力调整器、电压调整器、晶闸管调压器、晶闸管调功器、晶闸管调整器、调压器、晶闸管控制器、晶闸管交流电力控制器、可控硅调整器、可控硅控制器、电力控制器、可控硅交流电力控制器、电压控制器等。
具有效率高、无机械噪声和磨损、响应速度快、体积小、重量轻等诸多优点。
目前可控硅调功器主要有两种工作方式,一种是移相触发工作方式,另一种是过零触发工作方式.
（1）.移相触发工作方式:
利用数字电路或模拟电路,根据输入控制信号,计算出可控硅触发控制角,并在过零后进行延时触发.
（2）.过零触发工作方式:
过零触发工作方式通常分为二种,第一种是定周期过零控制,即在一个设定周期内利用通断比例控制输出功率大小；第二种是变周期过零控制,该工作方式下,输出电压对负载冲击小。
设计中选择的调功器信息如下：
Kt16P系列单相可控硅调压器/调功器
（1）功能概述
Kt16P系列单相可控硅调压器/调功器是具有高度智能化的新型功率控制设备，集移相调压型和变周期过零调功型两种触发方式于一体，通过外部转换开关可在两种触发方式之间任意转换,所以既可以做调压器也可以做调功器。
触发板采用CPU控制，并具有看门狗保护，输出全部采取隔离技术，可控硅采用德国原装进口模块，过载能力强，可靠性高。
设置方便，接线简单，具有多种保护功能。
其有斜率调整、缓起动、缓关断、电流限制、过流保护，散热器超温保护等功能，与智能温度控制仪表连接，实现温度的自动控制，适应于感性负载、阻性负载及各种电加热设备。
（2）技术规格
◆控制输入信号
电流输入：
4-20mADC，输入阻抗：
120Ω
电压输入（订货时申明）
◆电源电压：
220VAC频率50HZ（380VAC订货申明）
◆冷却方式：
100A及以上强制风冷，50A及以下自然冷却
◆调节输出范围：
（0-100%）UsUs为电源电压
◆采样周期控制输入信号：
10次/每秒负载电流：
50次/每秒
◆报警继电器触点容量：
220VAC1A（阻性）
◆运行环境
周围温度范围：
-10℃～50℃
周围湿度：
≤90%RH
海拔高度：
超过1000米因空气密度减小应降额使用
◆绝缘阻抗：
最小20MΩ1000VDC
◆绝缘体强度：
2500VAC1分钟
◆手动调节电位器：
10KΩ/2W
（3）功能设定
1）P1电位器
P1电位器是前置放大电位器，目的是将4-20mADC转换为0-5VDC，出厂已设置好，无需设置。
2）P2电位器
P2电位器为过电流报警设定电位器，出厂设置为：
当负载电流超过额定电流的1.1倍时发生过流报警。
可根据需要自行设置，设置方法（设置时调压器/调功器必须在移相调压型触发方式下才能进行，如果你订的是调功器，请先将USR和GND短路，设定好之后再断开）：
比如你想让调压器/调功器在负载电流超过100A发生过电流报警，那么你用手动功能调节调压器/调功器输出的实际电流为50A，这时把两位拔码开关的第1位（即SW-1）拔到左边（出厂已拔到右边ON位置），再调节P2电位器直到三色指示灯STATE变为黄色为止（变为黄色后不要再调节P2电位器），然后把拔码开关的第1位即SW-1拔到右边ON位置，这样就完
成了，当负载实际电流超过100A时调压器/调功器就会发生过电流报警，调压器/调功器停止输出，报警继电器动作，三色指示灯STATE变为红灯直亮。
3）P3电位器
P3电位器为电流限制电位器，出厂设置为当负载电流超过调压器的额定电流时调压器自动减小输出电压直到负载电流小于调压器的额定电流。
用户可根据现场需要设置P3电位器。
电流限制功能只有调压才有这个功能，调功方式下没有这功能。
4）两位拔码开关SW
拔码开关的第1位即SW-1拔到左边的时候为过电流报警设置（参照4.2）这时不发生过流报警，拔到右边（即ON位置）的时候，过电流报警功能起作用。
SW-2没有定义。
5）控制端子USR和GND
若USR和GND开路为调功状态，USR和GND短路为调压状态。
6）控制端子RS和GND
若RS和GND开路为缓起动（缓起动时间为15秒），U1和GND短路为缓关断（缓关断时间为15秒）。
（4）调压/调功说明
1）移相调压型
移相调压型是通过改变导通角的大小来调整输出电压，这种触发方式连续性好，输出电压平稳，无电压冲击，能够限制瞬时电流，适合各种类型的负载，目前变压器，电感线圈以及变阻性负载均采用这种触发方式。
但是这种触发方式会对电网产生谐波污染。
2）变周期过零调功型
变周期过零调功型是在正弦波的零点触发，以完整的正弦波为单位，通过改变通断的正弦波的周期来调整输出功率。
使导通的正弦波均匀分布，电压表、电流表的表针只有轻微的抖动，多台调整器运行时避免了电流的集中，因为在正弦波的零点触发所以对电网没有污染，功率因素高，但无法限制瞬时电流，故不能用于感性负载和变阻性负载，恒阻性负载一般都采用这种触发方式。
（5）接线
◆端子C1和端子C2为自动信号输入端。
1为正，2为负，标准输入信号为4～20mA，其它信号订货申明。
◆端子GND、R1、R2和V0为自动/手动信号转换输入端。
手动信号由手动电位器提供，电位器的规格为10KΩ/2W；不需要手动调节时将R1和R2短接即可（出厂已短接）。
◆端子USR和GND上的SA2开关为调压/调功转换开关。
SA2断开为变周期过零调功型，SA2闭合为移相调压型。
◆端子RS和GND上的SA1开关为缓起停开关。
SA1开关断开的时候可控硅调压器/调功器处于运行状态，SA1开关闭合的时候可控硅调压器/调功器处于停止状态。
当SA1开关从断开变成闭合时，可控硅调压器/调功器开始缓关断，缓关断完成后可控硅调压器/调功器进入停止状态。
当SA1开关从闭合变成断开时，可控硅调压器/调功器开始缓起动，缓起动完后可控硅调压器/调功器进入运行状态。
（在上电时如果SA1开关处于断开状态，可控硅调压器/调功器也具有缓起动功能。
）
◆端子9和10是报警输出端子，没有报警时为常开，报警时为常闭。
◆端子L1和L2为触发板电源，触发板电源必须与主回路电源一致，否则将不能正常工作。
四接线图
五开设实验
（一）温度检测与控制系统性能的测试及分析
1实验目的
（1）了解温度检测与控制系统的原理及使用方法
（2）学会对温度检测与控制系统的性能测试
2实验要求
实验要求通过测试加热到一定温度时需要的时间来反应系统的响应速度，通过观察系统受到干扰后恢复稳定的能力来反应系统的稳定性，干扰信号通过调节给定温度来模拟。
3实验步骤
（1）将系统接上220V交流电源
（2）设定调节器的给定温度为1200度，让加热炉开始加温，同时并记录加热到1200度时所用时间t。
（3）把调节器给定温度分别设定为1190度、1180度、1170度、1160度，观察系统能否恢复稳定性及恢复稳定性所需要的时间。
（二）绘制温度检测与控制系统的温度时间曲线
1实验目的
（1）了解控制系统对温度的调节过程
（2）学会通过实验的方法绘制系统的一些特性曲线
（3）进一步了解温度控制系统的内部结构及工作原理
2实验要求
（1）实验中需要用秒表来计时，故时间的把握必须准确
（2）画出温度时间的曲线
3实验步骤
（1）根据连线图将系统搭建出来
（2）接通电源，让系统运行起来
（3）从温度100度开始计时，每隔100度记一下时间，记录在实验后的表格中
（4）根据实验数据画出温度时间的曲线
（5）写实验报告，分析系统特性
六结语
本课程设计设计了一个温度检测与控制系统。
系统控制精度高，反应快，能实现对温度的快速而准确的调节。
本次课程设计以一个实际课题给了我一个理论联系实际的机会，可以培养自己的正确的设计思想。
通过这次设计还使我学会了充分发挥自己的主观能动性，运用所学过的知识及上网查资料来解决实际问题。
提高了自己的实际动手能力、综合实验技能以及独立进行工程设计和科学实验的能力，对于培养自己严谨的科学作风也是一个极好的锻炼。
另外，本次课程设计也为我今后的毕业设计奠定了基础，是建立良好设计思路的开始。
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