温度测量与控制

第九章炉温测量及控制

授课人：XXX2010.06XXX大学XXXXX学院教学提示教学要求

：要得到高质量、高性能的产品，热处理温度的合理制订非常重要，但制订合理的温度也是不够的，往往温度达不到要求，这就需要炉温测量及控制。热处理工艺的最佳过程，首要的是按照工艺规范对热处理炉温度进行测量和控制。

：要求了解炉温测量，炉温控制以及计算机在热处理炉中的应用。第九章炉温测量及控制§9－1炉温测量§9－2炉温控制§9－3热处理炉的计算机控制第九章炉温测量及控制

一、概述1、炉温的概念炉温的概念：相对炉膛空间来讲，我们所测量的炉温及其变化，是测量点(感温元件热端那一点)的温度及其变化。§9－1炉温测量2、炉温和零件温度

炉温和零件温度两者概念不同，热处理中要测量和控制的应该是零件的温度而不是炉温。但通常情况下测量零件温度有一定难度，所以在大多数情况下仍用炉温来表示零件温度。一、热电偶的工作原理1.热电效应现象

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1821年塞贝克（Seeback）首先发现提出，故又称塞贝克效应。第一节炉温测量第九章炉温测量及控制热电偶工作原理演示

结论：两种不同材料的导体，组成一个封闭回路，如果两端结点温度不同，则回路中就会产生一定大小的电流，这个电流大大小与两种导体材料性质以及结点温度有关，这就是温差效应。热电极A右端称为：自由端（参考端、冷端）左端称为：测量端（工作端、热端）热电极B热电势AB

人们把图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，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，俗称冷端。

2.热电势

热电势的组成（1）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。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。图接触电势示意图温差电势接触电势K：波尔兹曼常数E：电子电荷的绝对值NA，NB：A、B金属的电子密度（2）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。图温差电势示意图σ：是与导体材料有关的汤姆逊系数

设：热电偶两热电极分别叫A（为正极）和B（为负极），则热电偶回路总电势为：

可简化为

当A、B导体形成闭合回路，若两个接触面的温度分别为T和T0时即EAB(T,T0)=f(T)–f(T0)或：

EAB(t,t0)=f(t)–f(t0)当t0=0℃时，

EAB(t,0)=f(t)

由此可见，当热电偶两热电极材料确定后，其总电势仅与其两端点温度T、T0。有关。

为统一和实施方便，世界各国均采用参比端保持为零摄氏度，即T0=0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。当t0=0℃时，

EAB(t,0)=f(t)二、热电偶的基本定律1.均质导体定律

由一种均质导体（或半导体）组成的闭合回路，不论导体（半导体）的截面积如何以及各处的温度分布如何，都不能产生热电势。由此定律得出：

（1）热电偶必须由两种不同性质的材料构成；

（2）由一种材料组成的闭合回路存在温差时，回路如产生热电势，便说明该材料是不均匀的。据此，可检查热电极材料的均匀性。

2.中间导体定律由不同材料组成的闭合回路中，若各种材料接触点的温度都相同，则回路中热电势的总和等于零。由此定律得出：

（1）在热电偶回路中加入第三种均质材料，只要它的两端温度相同，对回路的热电势没有影响。因此，利用热电偶测温时，只要热电偶连接显示仪表的两个接点的温度相同，仪表的接入对热电偶的热电势没有影响。

（2）如果两种导体A、B对另一种参考导体C的热电势已知，则这两种导体组成热电偶的热电势是它们对参考导体热电势的代数和。该定律大大简化了热电偶的选配工作。其中参考导体亦称标准电极（常选用纯铂丝制作）。

中间导体定律

利用热电偶进行测温,必须在回路中引入连接导线和仪表,接入导线和仪表后会不会影响回路中的热电势呢？中间导体定律：在热电偶测温回路内,接入第三种导体C,只要其两端温度相同,则对回路的总热电势没有影响。§9－1炉温测量TT0V3.连接温度（或中间温度）定律

接点温度为T和T0

的热电偶，它的热电势等于接点温度分别T和T0的两支同性质热电偶的热电势的代数和。由此定律得出：

1）已知热电偶在某一给定冷端温度下进行的分度，只要引入适当的修正，就可在另外的冷端温度下使用。这为制订热电偶的热电势-温度关系分度表奠定了理论基础。

2）和热电偶具有同样热电性质的补偿导线可以引入热电偶的回路中，相当于把热电偶延长而不影响热电偶应有的热电势，这为工业测温只应用补偿导线提供了理论基础。

E

(T,T0)=EAB(T,T1)+EAB(T1,T0)

三、热电偶分类及特性

国际电工委员会推荐的工业用标准热电偶为八种。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。

常用热电偶及其特性铂铑10-铂热电偶这种热电偶分度号为“S”。它的正极是铂铑丝(铂90%，铑l0%)，负极是纯铂丝。测温范围为0~1700℃。其特点是热电性能稳定，抗氧化性强，宜在氧化性、惰性气氛中工作。常用作标准热电偶或用于高温测量。镍铬-镍硅热电偶这种热电偶分度号为“K”。它的正极是镍铬合金(镍90.5%，铬9.5%)，负极为镍硅(镍97.5%，硅2.5%)。测温范围为-200~+1300℃。其特点是测温范围很宽、热电动势与温度关系近似线性、热电动势大及价格低。缺点是热电动势的稳定性较B型或S型热电偶差。镍铬-锰白铜热电偶这种热电偶分度号为“E”。它的正极是镍铬合金，负极是铜镍合金(铜55%，镍45%)。测温范围为-200~+1000℃。其特点是热电动势较其他常用热电偶大。铂铑30-铂铑6热电偶这种热电偶分度号为“B”。它的正极是铂铑丝(铂70%，铑30%)，负极也是铂铑丝(铂94%，铑6%)，故俗称双铂铑。测温范围为0~1700℃。其特点是测温上限高。§9－1炉温测量目前热电偶统一规定在T0=0℃的条件下，给出测量端温度与热电势的数值对照表，即分度表自由端（约束条件：冷端温度必须为0℃）。测温时，根据测出的热电势可通过查对应的分度表，查得所测的温度值。四、热电偶冷端温度补偿用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0

C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0

C，而且也不恒定，因此将产生误差。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。主要有：冷端恒温法、补偿导线法、计算修正法和电桥补偿法等几种。补偿导线法采用相对廉价的补偿导线，可延长热电偶的冷端，使之远离高温区；可节约大量贵金属；易弯曲，便于敷设。所谓补偿导线：实际上是一对材料化学成分不同的导线，在0～100℃温度范围内与配接的热电偶有一致的热电特性，但价格相对要便宜。若利用补偿导线，将热电偶的冷端延伸到温度恒定的场所(如仪表室)，其实质是相当于将热电极延长。§9－1炉温测量

如采用镍铬-镍硅热电偶测炉温，热端为800℃，冷端为50℃，仪表室为20℃

，先分别查表得：E（800,0）=33.277mV、E(50,0)=2.022mV和E(20,0)=0.798mV。则不补偿时输入仪表的热电势为：E(800,50)=33.277－2.022=31.255mV（相当于751℃

），采用补偿导线后则为：E(800,20)=33.277－0.798=32.479mV（相当于781℃

），效果显著。

§9－1炉温测量EAB（t，t0）=EAB（t，0）-EAB（t0，0）补偿导线外形

A’B’保护层（1）、普通装配型热电偶普通型结构热电偶工业上使用最多,它一般由热电极、绝缘套管、保护管和接线盒组成。§9－1炉温测量五、热电偶类型普通装配型热电偶的外形安装螺纹普通装配型热电偶的结构放大图

接线盒引出线套管固定螺纹（出厂时用塑料包裹）热电偶工作端（热端）不锈钢保护管（2）、铠装热电偶铠装热电偶又称套管热电偶。它是由热电偶丝、绝缘材料和金属套管三者经拉伸加工而成的坚实组合体,它可以做得很细很长,使用中随需要能任意弯曲。铠装热电偶的可安装在结构复杂的装置上,因此被广泛用在许多工业部门中。铠装型热电偶外形铠装型热电偶可长达上百米薄壁金属保护套管（铠体）

BA铠装型热电偶横截面六、热电偶使用的注意事项热电偶应选择合适的安装位置热电偶的安装位置应尽可能避开强磁场和电场热电偶的插入深度应不小于保护外管直径的8~10倍，热端应尽可能接近被加热工件。热电偶的接线盒不应靠到炉壁上，（距炉壁约200mm为宜）热电偶尽可能保持垂直使用热电偶保护管与炉壁之间的间隙，需用耐火泥或石棉绳堵塞反射炉和油炉测温时，应避开火焰的直接喷射。低温测量时，应采用保护管开口或无保护管的热电偶应经常检查电极和保护管的情况。例题：以一只三级标准铂铑—铂热电偶来检定一支生产上用的镍铬—镍硅热电偶，检测点温度为1000℃，冷端恒温槽中的温度为2℃，检测结果如下：镍铬—镍硅热电偶的热电势平均值为：41.43mV标准热电偶的热电势平均值为：9.558mV试计算被检测热电偶的误差值。已知：标准铂铑—铂热电偶:1000℃时，修正值为：-0.023mV,2℃时，冷端修正值为：0.08mV

镍铬—镍硅热电偶2℃时，冷端修正值为：0.011mV解：标准热电偶的实际热电势为：

9.558-0.023+0.011=9.546mV

查表得知其所对应温度为999℃

镍铬—镍硅热电偶的实际热电势为：

41.43+0.08=41.53mV

查表得知其所对应温度为1006℃1006–999=7℃

即：被检测的热电偶在1000时的修正值为7℃智能化测温仪普遍按下述以软件为主的补偿方式：

当热电偶的测量端和参比端温度分别为t、t0时，则热电动势可变成例：用K型热电偶测炉温时，测得参比端温度t1＝38℃；测得测量端和参比端间的热电动势E(t,38)＝29.90mV，试求实际炉温。［解］由K型分度表查得E(38，0)＝1.53mV，由式(6-11)可得到：

E(t，0)＝E((t,t1)+E((t1,0)＝29.90+1.53=31.43mV再查K型分度表，由31.43mV查得到实际炉温755℃。

若参比端不作修正，则按所测测量端和参比端间的热电动势E(t,32)＝29.90mV，查K型分度表得对应的炉温718℃，与实际炉温755℃相差37℃，由此产生的相对误差约为5%。

§9－2炉温控制一、炉温控制系统(一)温度自动调节系统炉温控制是指根据实际测量炉温对给定温度的偏差，接通或断开供给炉子的热源能量，或连续改变热源能量的大小，使炉温稳定在给定温度范围，以满足热处理工艺的需要。

§9－2炉温控制炉温自动调节系统组成方框图（二）方框图：对于上图所示的自动控制系统，若能用一个简单的方法表示，则将使设计、分析的工作大大简化且明了易懂。

§9－2炉温控制二、温度自动控制分类热处理温度自动控制常用调节规律有：位式（二位式、三位式）比例比例积分比例积分微分等电阻炉炉温控制是一个反馈调节过程，比较实际炉温和需要炉温得到偏差，通过对偏差的处理获得控制信号，去调节电阻炉的热功率，从而实现对炉温的控制。

§9－2炉温控制1、炉温位式调节炉温位式调节系统是目前国内工广泛使用的一种炉温控制系统。它的特点是，结构简单、使用方便、成本较低，但调节精度不高，被调参数波动较大，调节器因频繁动作容易损坏，且噪声较大，故有逐渐被取代的趋势。位式调节属于断续式调节，它的最基本形式是二位式调节。二位式调节--它只有开、关两种状态，当炉温低于给定值时调节器输出“1”，执行器接通；当炉温高于给定值时，调节器输出“0”，执行器断开。（执行器一般选用接触器）

§9－2炉温控制比例调节（P调节）--调节器的输出信号和偏差输入成比例。比例积分（PI）调节--在比例调节中添加积分（I）调节，积分调节是使调节器的输出信号与偏差对时间的积分成比例的调节规律。比例积分微分（PID）调节--比例积分调节中引入微分（D）调节。微分调节是指调节器的输出与偏差对时间的微分成比例，微分调节器在温度有变化“苗头”时就有调节信号输出，具有预见性，能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前,已被微分调节作用消除。输出信号是按与输入信号成什么运算规律而动作的。1、开关控制：实测温度比设定值小时，不断输出，加热器通电。当实测温度比设定值大时，加热器就不通电。根据加热器电源的通和断，保持一定的温度。控制简单，不会发生偏移，但是会产生过热现象，且震荡。2：比例动作（P）：在设定值发生的比例带中，操作输出量对偏差进行比例的动作。实测温度比比例带小时，控制输出量为100%；进入比例带时，操作量逐渐减小，当实测值和设定值一致的时候，控制输出量为50%。相对于开关动作，震荡小，比较容易控，但是，达到稳定需要较长时间，会发生偏移。3：积分动作（I）：比例动作时，会发生偏移。把积分动作和比例动作组合使用，随着时间的推移，偏移会消除，从而让控制温度和设定值趋于一致。它虽然没有了偏移，但是达到稳定也需要很长时间。4：微分动作（D）：

比例动作和积分动作，可以修正控制结果，但是，速度较慢。微分动作可以修补他们的缺点，用偏差所发生的倾斜微分系数的操作量，加以修正。反应速度很快，但是不能单独控制。5：PID控制：由于比例动作，积分动作，微分动作各有较大的缺点，所以，就将三者组合在一起控制，也就是PID控制，对于温度的控制具有良好的效果。这是因为比例动作不易发生震荡，积分动作可自动修复偏移量，微分动作可抗外因引起的变化。温控箱在出厂前要进行PID的参数设置，这些都是根据负载进行调试的，一定要知道负载的功率，加热到稳定状态所需时间。

微型计算机在热处理中的应用领域1、设计计算或计算机辅助设计（CAD）设计计算的内容包括，平衡常数计算、化学热力学和化学动力学计算、热处理炉热平衡计算等。计算机辅助设计包括热处理设备设计和热处理车间设计等。§9－3热处理炉的计算机控制

2、数据处理、预测工件热处理后的性能及数据库建立计算机热处理数据库，利用数据库文件可以将各种试验数据和资料输入数据库，各种工艺试验数据作出处理，并根据数据库内的数据预测