溫度控製器

選擇的考慮因素

電熱的可控性

控製器的基本功能是將實際溫度與(yu) 設定值 比較，並產(chan) 生用於(yu) 維持設定值的輸出。

控製器是整個(ge) 控製係統的一部分，在選擇 合適的控製器時應對整個(ge) 係統進行分析。 選擇控製器時應考慮以下各項：

1. 輸入傳感器的類型（熱電偶、RTD、 卡式和溫度範圍）
2. 傳感器的布置
3. 所需控製算法（通/斷、比例、PID、 自動整定PID）
4. 所需輸出硬件的類型（機電式繼電 器、SSR、模擬輸出信號）
5. 附加輸出或係統要求（要求的溫度和/ 或設定值顯示屏、冷卻輸出、報警、 限值、計算機通信等）

輸入類型

輸入傳(chuan) 感器的類型取決(jue) 於(yu) 所需溫度範圍、 所需測量分辨率和精度、傳(chuan) 感器的安裝方 法和位置。

傳(chuan) 感器的布置

傳(chuan) 感元件相對於(yu) 工作位置和熱源的正確布 置對良好的控製為(wei) 重要。如果三者可以 近距離布置，將能夠較容易地得到很高的 精度，甚能達到控製器的精度。但 是，如果熱源距工作位置較遠，將傳(chuan) 感元 件定位在加熱器和工作位置之間不同的地點，所達到的精度會(hui) 有很大差異。

選擇傳(chuan) 感元件的位置前，應先確定熱量需 求是基本穩定的還是有所變化。如果熱量 需求相對穩定，將傳(chuan) 感元件布置在熱源 附近可將工作位置處的溫度變化保持在 小。

而當熱量需求變化時，將傳(chuan) 感元件布置在 工作位置附近將使其能夠更快速地感知熱 量需求的變化。但是，由於(yu) 加熱器和傳(chuan) 感 元件之間熱滯後加大，會(hui) 發生更大的過調 量和欠調量，造成在高溫度和低溫度 之間更大的分散。通過選擇PID控製器可 以減小這種分散。

控製算法（模式）

控製器嚐試將係統溫度恢複到所需水平所 采取的方法。兩(liang) 種常見的方法是二位（ 通斷）控製和比例（節流）控製。

通斷控製

通斷控製簡單的控製模式。它具 有死區（差值），以輸入量程的比 表示。設定值通常位於(yu) 死區中心。因 此，如果輸入為(wei) 0 ～ 1000˚F，死區為(wei) 1%且設定值為(wei) 500˚F，當溫度為(wei) 495˚F或 更低時，輸出將為(wei) 全通，直到溫度達到 505˚F， 此時輸出將為(wei) 全斷。它將保持全 斷狀態，直到溫度降到495˚F。

如果過程的響應速率很快，在495˚F和 505˚F之間的將很快。過程的響應速 率越快，過調量和欠調量會(hui) 越大，當 用作終控製元件時，接觸器的也 越快。

通斷控製通常用在不需要控製的場 合，例如無法使能源頻繁接通和切斷的 係統中，因係統太大而溫度變化極 慢的情況，或者用作溫度報警。

用作報警的一種特殊類型的通斷控製裝置 為(wei) 限製控製器。這種控製器使用必須手動 複位的鎖定繼電器，用於(yu) 在達到特定溫度 時關(guan) 閉過程。

比例

比例控製設計用於(yu) 伴隨通斷控製的循 環。比例控製器在溫度接近設定值時降低 供給加熱器的平均功率。這能夠減慢加熱 器加熱，以便溫度不會(hui) 超過設定值，但會(hui) 接近設定值並維持在一個(ge) 穩定的溫度。這 種比例作用可通過以短時間間隔接通和切 斷輸出來實現。這種“時間比例控製”通 過“打開”時間和“關(guan) 閉”時間的比率變 化來控製溫度。

兩(liang) 次連續“接通”之間的時間稱為(wei) “ 時間”或“工作周期”。比例作用發生在 設定溫度附近的一個(ge) “比例帶”內(nei) 。超出 此比例帶，控製器的作用方式與(yu) 通斷控製 器一樣，輸出為(wei) 全通（比例帶以下）或全 斷（比例帶以上）。但是，在比例帶內(nei) ， 輸出的接通和切斷與(yu) 測量值和設定值之差 成比例。在設定值（比例帶的中點）處， 輸出通斷比為(wei) 1:1，即接通時間和切斷時 間相等。如果溫度遠離設定值，接通時間 和切斷時間與(yu) 溫差成比例變化。如果溫度 低於(yu) 設定值，輸出接通時間較長。如果溫 度高於(yu) 設定值，輸出切斷時間較長。

比例帶通常以輸入滿量程的比或度 表示。它也可以稱為(wei) 增益，是比例帶的 倒數。在許多裝置中，時間和/或比 例帶寬度可以調節，從(cong) 而使控製器可以 很好地匹配特定的過程。

比例控製器有一個(ge) 手動複位（微調）調節 裝置，可用於(yu) 調節穩態溫度和設定值之間 的偏移量。

除機電和固態繼電器輸出外，比例控製器 也可以有比例模擬信號輸出，如4 ～ 20 mA或0 ～ 5 Vdc。在這些輸出 中，變化 的是實際輸出電平振幅，而不是通斷時間 的比例。

圖1：比例控製

比例加積分加微分控製模式(PID)：

這種控製器與(yu) 比例控製器的工作方式相 同，隻是微調功能由積分功能（自動複 位）自動執行， 從(cong) 而對負載變化進行自 動補償(chang) ，使溫度在所有工作條件下都與(yu) 設定值一致， 偏移得以。

微分功能（速率作用）補償(chang) 快速發生的 負載變化。一個(ge) 示例是間斷輸送產(chan) 品的 輸送帶烘道。當產(chan) 品進入烘道時，熱量 需求急速上升，當輸送帶停止時，有 了多餘(yu) 的熱量。微分作用可在這種情況 下減少溫度的欠調量和過調量，從(cong) 而 阻止因烘烤過度或不足而產(chan) 生不合格 產(chan) 品。

與(yu) 通斷或比例控製器相比，PID控製器 可提供更、更穩定的控製。它適 用於(yu) 相對較小，對過程所加能源的 變化反應迅速的係統。在負載變化頻繁 的係統中，建議使用這種控製器。該控 製器能夠隨著設定值的頻繁變化，自動 補償(chang) 可供能源量和要控製的。

圖2：速率功能補償(chang) 快速變化

比例、積分和微分項必須進行“整定” ，即針對特定過程進行調節。這一操作 通過試誤法完成。有些控製器稱為(wei) 自 整定控製器，它們(men) 會(hui) 嚐試自動調節PID 參數。

圖3：複位功能偏移。

控製輸出硬件的類型

溫度控製器的輸出硬件可以是幾種形式 中的一種。要使用的控製硬件類型取決(jue) 於(yu) 所用的加熱器和可用功率、所選的控 製算法，以及控製器外部可用於(yu) 處理加 熱器負載的硬件。常用的控製器輸出 硬件如下：

時間比例或通斷

1. 機械式繼電器
2. 三端雙向可控矽開關（交流固態繼電器
3. 直流固態繼電器驅動器（脈衝）

模擬比例

1. 4 ～ 20 mA直流
2. 0 ～ 5 Vdc或0 ～ 10 Vdc

時間比例輸出為(wei) 負載供電的時間是固定循 環時間的數。例如：對於(yu) 10秒的 時間，如果控製器輸出設置為(wei) 60%，繼電 器將通電（閉合、供電）6秒，然後斷電 （打開、不供電）4秒。

機電式繼電器通常是的一種，一般 在時間大於(yu) 10秒、負載相對較小的係統中選用。

選擇交流固態繼電器或直流電壓脈衝(chong) 能夠 地驅動外部SSR，因為(wei) 它們(men) 不包含 任何移動零件。對於(yu) 要求短時間的過 程，也使用它們(men) 。外部固態繼電器可 能需要交流或直流控製信號。

振幅比例輸出通常是模擬電壓（0 ～ 5 Vdc）或電流（4 ～ 20 mA）。這種輸出 的輸出電平也由控製器設置。如果輸出 設置為(wei) 60%，輸出電平將是5V的60%， 即3V。對於(yu) 4 ～ 20 mA輸出（16 mA的 量程），60%等於(yu) (0.6 x 16) + 4，即 13.6 mA。這種控製器常常與(yu) SCR電源 控製器或比例閥一起使用。

電阻式加熱器使用的功率通常以瓦為(wei) 單 位表示。繼電器的負載電流以安為(wei) 單位 表示。決(jue) 定繼電器額定要求的常用 公式為(wei) ：

W = V(A)(1.5) 或A = W/(V)(1.5) 其中A = 繼電器的額定電流，單位為(wei) 安W = 加熱器的大功率，單位為(wei) 瓦
V = 使用的電壓
1.5 =係數

可用在控製器外部處理負載的可用硬件類型如下：

1. 機械式接觸器
2. 交流控製固態繼電器
3. 直流控製固態繼電器
4. 零交越SCR電源控製器
5. 相角起通SCR電源控製器

機械接觸器為(wei) 外部繼電器，可以在需要控 製器中的繼電器的大電流時使 用，或者用在某些三相係統中。對於(yu) 短於(yu) 15秒的時間，不建議使用它們(men) 。

與(yu) 機械接觸器相比，固態繼電器的優(you) 點是 它們(men) 沒有移動部件，因此可以在時間 短時使用。時間越短，死滯後越小， 控製越好。“切換”在交流的零電壓 交越點發生，從(cong) 而不會(hui) 產(chan) 生可感知的電氣 噪聲。交流控製固態繼電器與(yu) 控製器的機 械式繼電器或三端雙向可控矽開關(guan) 輸出一 起使用，高可用於(yu) 480 Vac下90 A的電 流。直流固態繼電器與(yu) 直流固定驅動器 （脈衝(chong) ）輸出一起使用。“接通”信號可 以為(wei) 3 ～ 32 Vdc，有多種型號，高可 控製480 Vac下90A的電流。

零交越SCR電源控製器 用於(yu) 控製更大負載 的單相或三相電源。它們(men) 可以用於(yu) 480 V 下高達200 A的電流。控製器通常需要輸 出一個(ge) 4 ～ 20 mA直流控製信號。零交越 SCR電源控製器將模擬輸出信號轉換成 一個(ge) 時間約為(wei) 2秒或更小的時間比例 信號，並在零交越點進行切換，以避免產(chan) 生電氣噪聲。

相角SCR電源控製器也由4 ～ 20 mA直流 控製器輸出操作。通過控製一個(ge) 完整的交 流正弦波每半周的接通（起通）點來控製 負載的供電。這使電壓在單個(ge) 0.0167 秒周期內(nei) 變化的作用。通過比較，時間 比例控製器在整個(ge) 時間（通常大於(yu) 1 秒，常常會(hui) 大於(yu) 15秒）上變化平均功率。 相角SCR電源控製器用於(yu) 燈 或電熱絲(si) 加熱器等低熱慣性加熱元件。