第十一章 热处理温度测量与控制

第十一章热处理温度测量与控制§11.1 热处理温度测量与控制在热处理生产中，炉温的准确测量和精确控制是保证工件热处理质量的关键因素。

炉温的调节靠人工来完成（手动调节）远不能满足现代热处理生产要求，只有实现炉温的自动调节，才能保证热处理产品质量、提高生产效率、降低成本、改善劳动条件等。

炉温自动调节是利用测温系统和自动化装置组成一个自动调节系统来实现的。

一般情况下，热处理工艺要求将炉温调节在一个预先给定的数值上，这样的调节系统称为定值调节系统。

定值自动调节系统主要由调节对象（炉温）、检测元件（测温仪表）、调节器、执行器四部分组成。

每个部分（或环节）都受到前一个环节的作用，并对后一个环节产生影响。

构成一个具有负反馈的闭环系统。

如：保温时电源接通→炉温升高→超过给定值→检测元件将检测到的实际温度传递到调节器→该信号通过比较机构与给定值比较产生偏差信号→偏差信号送入调节机构→调节机构发出指令给执行机构→执行机构接到指令关闭电源。

（对于二位调节而言）§11.2 热处理炉温的自动调节一、炉温的位式调节1．位式调节规律1) 二位式调节指调节器的调节动作只有“通”（开）和“断”（关）两种工作状态，如XWB101型电子电位差计就是带有二位式温度调节机构的仪表。

二位式调节又称通断式控制，是将测量值与测量值相比较之差值经放大处理后，对调节对象作开或关控制的调节。

当测量值低于设定值时，仪表输出“通”的信号，负载因获得全部能源而升温；当测量值高于设定值时，仪表输出：“断”的信号，负载因失去全部能源而降温；须指出由传感器－仪表－执行器（阀门或接触器）－负载（电炉）－传感器各部分组成的闭环系统在信号的传递、处理和调节中都不可避免地存在滞后，帮仪表作出调节动作后，需要一定的时间才能把调节结果再通过传感器反馈至仪表，在此断滞后时间内，调节对象的温度仍呈惯性上升或惯性下降，仪表此时处于“失控”阶段。

能源全部通和全部关断二种状态的交替出现，必然使被控参数有周期性的起伏，形成在设定值上下的震荡，震荡的幅度由仪表的回差和感应元件的响应时间、加热器的热阻等系统其它部分的特性所决定。

这在二位调节中无法避免。

但在空调、农业培植等允许温度有一定范围波动的场合，可避免执行器的频繁动作，反有利于系统的运行。

特点：二位式调节被调参数始终不能稳定在给定值上，而是在给定值上下做周期性的波动。

优点：调节器结构简单、动作可靠、使用方便，是目前热处理炉温调节中最常见的调节方式。

缺点：被调参数波动较大，调节精度不高，调节器动作频繁，容易损坏，且噪音较大。

2）三位式调节三位式调节是为了克服二位式调节容易产生的升温速度与温度过冲量（超调）之间的矛盾而发展的一种调节方式。

以电炉加热为例。

三位式调节可以用两个继电器在的触点组成“升温加热”、“恒温调节”及“停止加热”三种输出状态。

具体实现方法为采用辅助加热器A和主加热器B两组加热器，当测量值低于下限设定值时，上、下限继电器均吸合，系统进入“升温加热”状态，此时A、B二组加热器同时加热，因此升温速度较快。

当测量值到达下限设定值，但尚低于上限设定值时，下限继电器释放，断开辅助加热器A的能源供给，升温速率随之下降，系统进入“恒温加热”状态。

当测量值到达上限设定值时，下限继电器仍保持断开状态，上限继电器开始释放，断开主加热器B 能源供给。

此时由于主辅加热器均失去能源供给，故温度逐渐下降，直至降到上限设定回差的下限时，上限继电器又吸合，接通主加热器B的能源供给，温度又逐渐上升，周而复始。

由此可见三位式调节比二位式调节升温的速度快，进入恒温调节状态后温度的波动小，精度高。

一般情况下，辅助加热器A的加热能量为总加热能量的30%～50%左右，具体视系统及工况而定。

对不便设置二组加热器的对象，可以用下限继电器控制串入负载的电感器或二极管的办法实现三位式调节，成本降低，且加热器寿命延长，效果更好。

三位式调节的仪表还可以由下限继电器承担加热调节，而把上限继电器作超温时的冷却输出或报警输出，且报警值可由用户随意设置，但报警的方式是上限继电器常闭触点重又闭合，与正规的报警动作相反，对此须注意。

三位式调节还可用于回差可调的宽中间带调节方式，其回差约等于上限设定值与下限设定值之差值，在制冷控制系统中应用较多。

3）时间比例调节在给定温度上下的一个温度范围内，调节器的控制触点不停的周期性断开和接通，并且在一个通断周期内，接通时间与通断周期的比值和炉温与给定值的偏差成比例关系。

需要说明的是：（1）比例调节作用只在给定温度上下的一定范围内存在。

（2）比例作用的温度范围与仪表满量程的百分比称为比例带或比例作用范围。

如国产XCT131型时间比例调节仪表的比例带规定为4％，若仪表量程为0～1100℃，则当给定温度为900℃时，其比例作用范围为878～922℃。

当炉温未达到比例作用范围时，控制触点一直接通，供给炉子的平均功率为100％，炉温可以较快上升。

当炉温升到878℃进入比例带但低于给定值时，控制触点开始有通断动作，但接通的时间较长，断开的时间较短，供给炉子的功率开始减小。

当炉温升到恰好等于给定值时，控制触点通断时间相等，供给炉子的平均功率为50％。

当炉温超过给定温度但还在比例作用范围内时，控制触点接通的时间比断开的时间短，炉子得到的平均功率小于50％。

当炉温达到比例作用范围上限温度922℃或超过时，控制触点一直断开，炉子停止加热。

从以上分析可见，时间比例调节虽然也是通过仪表控制触点的通断来调节，但是其通断的时间比值随温度偏差而变化，且通断的动作周期相对炉子的热惯性来说是很短的，不会引起温度波动，其调节精度较二位、三位调节精度高，炉温波动小。

缺点：存在“静差”，即炉子在保温时稳定下来的实际温度与给定温度之间的差值。

如上所述，当炉温与给定温度相等时，输入炉子的功率为额定功率的50％，但一般情况下，实际炉子为保持热交换平衡状态所需要的功率（即炉子的散热功率）不可能刚好等于额定功率的50％。

静差是可以消除的。

比例调节动作周期较短，跳动频繁，继电器和接触器的损坏加快，寿命缩短，现场噪音较大。

2．热处理位式调节效果的分析和改善1）炉温波动原因实际生产用的热处理炉，由于功率和炉膛都大，热惯性是很大的。

由于热惯性大，实际热处理炉的波动要比控制仪表大得多。

所谓炉子的热惯性，指炉子的温度并不是随加热能源输入量的变化而立即变化，而是滞后一段时间——称为纯延迟。

炉子的热惯性包括炉子本身的热惯性和感温元件的热惯性。

炉温波动不仅仅是测量仪表本身的问题，还与炉子的设计有关。

2）减少炉温波动的措施（1）正确选择炉子的加热功率（2）改进炉子结构密封、保温、温度均匀性、加热介质（3）根据工作温度（工艺温度）高低合理选择炉子通常，为尽量减小温度波动，炉子的正常工作温度应大于炉子的最高工作温度的一半以上，这对于回火特别重要，因为回火是热处理最后一道工序，温度控制要求严格。

如低温回火时，不宜放在高温炉或大功率箱式炉内进行，因为这类炉子加热功率大，在低温区内的温度波动大。

另一方面，装炉量应与所选炉子相适应，装炉量太大，热惯性大，温度波动大；装炉量太小，升温速度太快，温度波动也大。

（4）采用热惯性小的热电偶。

保护套管：陶瓷管大于金属管；金属管管壁越厚热惯性越大。

热电极：热电偶丝越粗，热惯性越大。

（5）采用超前位式炉温调节方法即在热电偶回路中串接附加微电势。

升温时，附加微电势与热电势顺向串联，使电炉提前断电、降温时，反向串接微电势，使电炉提前接通。

二、炉温的连续调节炉温采用位式调节时，输入功率不能连续变化，这是位式调温精度不高的根源所在。

同时，作为位式调节系统的执行元件——交流接触器，存在通电次数频繁，容易损坏，有噪声公害等不足。

如采用连续调节，则可克服这些缺点。

炉温的连续调节，是根据炉温偏差连续改变炉子输入功率的无触点调节方法，因而调节精度高，不同交流接触器。

热处理炉采用的炉温连续调节系统中，调节器多使用动圈式仪表和电子电位差计附加的电动PID调节器，执行器常采用晶闸管调压器、晶闸管调功器和磁性调压器。

以开关水龙头控制水位为例，要保持液位稳定，水龙头有几种不同的开法。

最简单的开法是水位低了就开水龙头，水位高了就关水龙头，这就是前述双位控制方法。

a.有的见水位低得多，开关开大一些，水位低得少，就开小一些，力求保持液位稳定；b. 有的见水位低，就不断缓慢地打开水龙头放水，直到水位达到规定值为止；c. 有的则性急一些，一见水位低落就快开水龙头放水，再把水龙头逐渐关小，试图尽快保持水位不变。

这是三种最基本的连续开关法，当然还有其它基于这三种方法的可能更合理的开法。

a方法可以克服水位变化，但造成的偏差较大；b方法可以稳定水位不变，但不易消除水位偏差，稳定过程可能较长；c方法容易克服水位偏差，但可能波动太大。

综合这些开法，取长补短，可以得到不同的开关阀门的动作规律，称为控制规律。

1．比例调节规律△I=－K p△σ△I ——比例调节器输出信号偏差值K p ——比例系数△σ——比例调节器输入信号偏差值（1）比例调节的特点是：输出信号与输入信号的偏差成比例关系。

（2）比例带与比例作用范围（3）静差比例调节是连续调节中最基本的调节方式。

在炉温自动调节系统中，采用比例调节，能够产生强有力的稳定作用。

如炉温有波动，它能够较快地去校正，且校正能力随偏差的增大而增强。

但比例调节的结果，不可避免地会产生“静差”。

所谓静差，指炉温受到干扰而偏离给定值是，经比例调节又重新稳定后的数值与给定值之间的差值。

（4）比例调节实现方法比例调节器的输出信号与输入偏差信号成正比比例系数与放大器放大倍数无关，改善了放大器稳定性。

改变滑接点位置，可以改变比例系数的大小。

2．比例积分调节△I=－A∫△σdτ积分调节器的输出变化量不仅与偏差值的大小有关，还与偏差存在的时间有关。

只要偏差存在，调节器的输出电流就不断向减小偏差的方向变化，直至偏差消失，积分作用才停止。

因此，积分调节可以消除静差。

不足：积分调节输出是随偏差存在的时间慢慢增大的，故对偏差的校正作用是慢慢增强的，即调节作用缓慢，有滞后现象。

因此，实际上积分调节很少单独使用，往往与比例调节结合，形成比例积分调节。

3．比例积分微分调节微分调节指输出变化量与偏差随时间的变化速度成正比关系。

△I=－τ（d△σ/dτ）优点：偏差变化速度越大，微分作用的输出变化量就越大。

如炉温突然而又很快地偏离给定值时，微分调节就会立即产生一个很大的微分输出，推动执行器快速地改变炉子的输入功率，以阻止炉温的变化，使其迅速趋于稳定。

缺点：如存在的偏差不随时间而变，如静差，则不管偏差有多大，存在时间有多长，都不可能有微分作用输出。

由上分析可见，微分调节不能单独使用，它通常与比例积分调节结合使用，组成比例积分微分调节器即PID调节器。