王秀民,呂 強(qiáng),孫霜青

(中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580)

高溫老化試驗箱控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

王秀民,呂 強(qiáng),孫霜青

(中國石油大學(xué)(華東),山東青島 266580)

通過設(shè)計加熱電路、鼓風(fēng)電路、時間控制電路等控制系統(tǒng),選用高性能交流接觸器、時間繼電器以及溫控儀表等電路元件,在按要求加工的高溫老化箱體內(nèi)進(jìn)行了電路連接,經(jīng)測試與試運(yùn)行,結(jié)果表明:電路控制系統(tǒng)控制溫度準(zhǔn)確,箱內(nèi)溫度梯度<1℃,高溫老化箱各項參數(shù)均能達(dá)到使用標(biāo)準(zhǔn),并且實現(xiàn)了長達(dá)30天的無故障高溫運(yùn)行,電路控制系統(tǒng)設(shè)計合理、使用安全、參數(shù)達(dá)標(biāo)。

高溫老化箱;電路;加熱;溫度

高溫老化試驗箱是高校、科研院所等科研機(jī)構(gòu)實驗室內(nèi)常見的高溫試驗設(shè)備,是新材料、新產(chǎn)品研發(fā)常用的高溫儀器。高溫老化箱的主要功能是提供精確、穩(wěn)定的高溫環(huán)境,為了能滿足大學(xué)物理創(chuàng)新實驗室對高溫老化箱多種用途的使用要求,通過設(shè)計鼓風(fēng)、溫度、時間等電路控制系統(tǒng),自行設(shè)計高溫老化箱。

目前國內(nèi)高溫老化試驗箱技術(shù)發(fā)展迅速,高端產(chǎn)品正在向著高度集成化、高度智能化的方向飛速發(fā)展。高端產(chǎn)品功能強(qiáng)大、集成化程度高,與之對應(yīng)的是價格高昂,維修復(fù)雜。為了能滿足大學(xué)物理創(chuàng)新實驗特色化教學(xué)的需求,結(jié)合對物理電學(xué)知識的理解,在深入調(diào)研、學(xué)習(xí)各種電路元器件性能、原理的基礎(chǔ)上[1-3],選用性能穩(wěn)定、壽命長、性價比高的電路元器件,通過設(shè)計老化箱電路控制系統(tǒng),自主研發(fā)高溫老化箱,在實現(xiàn)控溫精確、定時恒溫、高溫保護(hù)等功能的同時,達(dá)到操作簡單、故障率低、維修方便、價格低等優(yōu)點(diǎn)。

1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計

高溫老化箱的控制系統(tǒng)包括溫度控制電路、鼓風(fēng)控制電路、時間控制電路以及報警保護(hù)電路等,用到的電路元件有溫控器、接觸器、時間繼電器等。設(shè)計溫度范圍:室溫-350℃,室內(nèi)溫度梯度<1℃,控溫精度<1℃。高溫老化箱控制系統(tǒng)設(shè)計方案如圖1所示,接通老化箱電源,儀表電路通電,按要求對儀表參數(shù)進(jìn)行設(shè)置;鼓風(fēng)電路接通電源,鼓風(fēng)機(jī)開始工作之后,加熱電路的控制開關(guān)才能接通加熱器,否則加熱器不工作;時間控制電路、報警電路獨(dú)立運(yùn)行。

圖1 高溫老化箱控制系統(tǒng)設(shè)計方案

2 鼓風(fēng)電路系統(tǒng)設(shè)計

鼓風(fēng)系統(tǒng)是高溫老化箱控制系統(tǒng)中非常重要的一部分,高溫老化箱內(nèi)部空氣流動是重要且必須的,首先這是實現(xiàn)高溫老化箱內(nèi)部溫度均勻分布的重要保證,其次這是縮小加熱器表面溫度與老化箱內(nèi)部環(huán)境溫度差值,避免加熱器表面溫度過分集中,有效提高加熱器壽命的重要方式。本文將鼓風(fēng)機(jī)置于老化箱頂端,風(fēng)道置于老化箱兩側(cè),加熱器對稱分布在兩側(cè)風(fēng)道內(nèi),出風(fēng)口是由無數(shù)個直徑1.5 cm的圓孔組成,兩側(cè)出風(fēng)口相對,老化箱內(nèi)空氣水平流動。鼓風(fēng)機(jī)從老化箱頂端將箱內(nèi)空氣吸入風(fēng)道,再使空氣流經(jīng)兩側(cè)風(fēng)道內(nèi)的加熱器后,從出風(fēng)口水平吹出,箱內(nèi)空氣經(jīng)加熱器、試驗樣品、鼓風(fēng)機(jī)形成封閉循環(huán)。老化箱頂部設(shè)計可調(diào)節(jié)大小的通氣口,主要是平衡老化箱內(nèi)外氣壓,避免老化箱內(nèi)外氣壓不同引發(fā)危險。

圖2 鼓風(fēng)電路系統(tǒng)

鼓風(fēng)系統(tǒng)控制電路如圖2所示,采用三相四線電源,空氣斷路器QF為電路總電源控制器,主電路中,交流接觸器KM1的主觸頭與熱繼電器FR的熱元件串聯(lián)后接入鼓風(fēng)機(jī)?？刂齐娐分?交流接觸器KM1的控制線圈與熱繼電器FR的常閉靜觸頭串聯(lián)。電源開關(guān)QM1、鼓風(fēng)開關(guān)QM2依次閉合后,交流接觸器KM1的控制線圈通電,使其主觸頭吸合,鼓風(fēng)機(jī)開始工作;當(dāng)鼓風(fēng)機(jī)超負(fù)荷時,主電路中電流過大,致使主電路中熱繼電器FR的熱元件動作,控制電路中熱繼電器FR的常閉靜觸頭斷開,控制電路被迫中斷,交流接觸器KM1的控制線圈斷電,其主觸頭斷開,鼓風(fēng)機(jī)停止工作,從而實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)超載保護(hù)。

3 加熱電路系統(tǒng)設(shè)計

加熱系統(tǒng)是高溫老化箱控制系統(tǒng)的核心,該系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足兩個方面的要求,首先電路中需要具備高溫保護(hù)功能,要保證高溫安全;其次要處于鼓風(fēng)電路的控制之中,實現(xiàn)鼓風(fēng)機(jī)對加熱器散溫、保護(hù)的作用。加熱電路如圖3所示,主電路中加熱器連接交流接觸器KM2的主觸頭。加熱器采用耐腐蝕性能好、輻射率高的鎳鉻合金加熱器。

圖3 加熱電路系統(tǒng)

控制電路包括交流接觸器KM1、交流接觸器KM2、加熱開關(guān)、溫控器1、溫控器2、時間繼電器KT等。當(dāng)閉合鼓風(fēng)電路的開關(guān)QM2后,交流接觸器KM1線圈通電,其輔助常開觸頭閉合,此時閉合加熱開關(guān)QM3,使加熱控制電路電流導(dǎo)通,交流接觸器KM2的線圈通電,交流接觸器KM2的主觸頭閉合,加熱器開始工作。該設(shè)計能夠保證鼓風(fēng)機(jī)工作是加熱器工作的必要條件,不僅能夠避免鼓風(fēng)機(jī)未啟動的情況下,加熱器通電后溫度過分集中,還能保證當(dāng)加熱器停止供電的時候,鼓風(fēng)機(jī)可以繼續(xù)給加熱器散熱,從而可以有效提高加熱器使用壽命。時間控制電路不啟動的情況下,時間繼電器KT常閉觸頭始終閉合導(dǎo)通。溫控器1采用XMTA-7000智能式溫控器,該溫控器具有溫度自整定功能,在電路中的功能是設(shè)置、控制老化箱內(nèi)溫度,XMTA-7000智能式溫控器的“OUT”端接入控制電路,該端口輸出值是按照PID自整定參數(shù)進(jìn)行通斷比例輸出,能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制老化箱內(nèi)溫度。溫控器2采用TED-2001指針式溫控器,通常溫控器2的溫度設(shè)定值等于或略大于溫控器1溫度設(shè)定值即可,當(dāng)溫控器1誤操作或電路出現(xiàn)故障,溫控器2不僅能起到穩(wěn)定溫度的作用,還能起到防止老化箱內(nèi)溫度無限升高的作用,在加熱電路中起到電路保護(hù)的功能。將TED-2001指針式溫控器的“低”“總”端口接入控制電路,當(dāng)老化箱內(nèi)溫度低于設(shè)置溫度時,控制電路導(dǎo)通,當(dāng)老化箱內(nèi)溫度高于設(shè)置溫度時,控制電路斷開,從而實現(xiàn)限溫的作用。溫控器1、溫控器2均采用線性好、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好的同規(guī)格不銹鋼P(yáng)T100鉑電阻溫度傳感器[4-8],既保證了測溫的準(zhǔn)確性,又保證了測溫的一致性。

采用溫控器1、溫控器2串聯(lián)的電路設(shè)計,電路穩(wěn)定性極高,不僅可以實現(xiàn)電路高溫保護(hù)功能,而且使用簡單,電路維護(hù)、維修方便。

4 時控電路系統(tǒng)設(shè)計

時間控制電路是高溫老化箱控制系統(tǒng)的輔助部分,在整個控制系統(tǒng)中獨(dú)立運(yùn)行,其主要功能是可以自動、準(zhǔn)確控制恒溫時間。時控電路如圖4所示?？刂齐娐分兄饕袝r間繼電器KT、溫控器1、報警器以及開關(guān)等。時間繼電器選用數(shù)字式DH48S繼電器,延時設(shè)置范圍0-99小時99分鐘。閉合電源開關(guān)QM1,手動設(shè)置恒溫延時時間,設(shè)置溫控器1、溫控器2溫度,閉合鼓風(fēng)開關(guān)QM2、加熱開關(guān)QM3、時控開關(guān)QM4,當(dāng)老化箱內(nèi)溫度低于設(shè)定溫度時,DH48S繼電器數(shù)顯表不顯示時間,當(dāng)老化箱內(nèi)溫度達(dá)到設(shè)置溫度時,溫控器1“ALM1”報警輸出端閉合,時間繼電器KT線圈導(dǎo)通,時間繼電器DH48S數(shù)顯表開始計時,延時開始;延時結(jié)束后,圖4中時間繼電器KT常開觸點(diǎn)閉合,同時圖3中時間繼電器KT常閉觸頭斷開,加熱控制電路斷開,停止加熱,如果報警開關(guān)處于閉合狀態(tài),聲光報警器開始報警。如果需要老化箱長期處于恒溫狀態(tài),時控開關(guān)關(guān)閉即可。

圖4 時控電路

5 儀表供電電路設(shè)計

高溫老化箱控制系統(tǒng)中有兩個溫控器,如圖5所示,老化箱在升溫之前,需要提前給溫控器供電,進(jìn)行溫度設(shè)置,限溫設(shè)置,因此需要設(shè)計儀表供電電路,并且配置電源開關(guān)。該部分電路的電源開關(guān)也是高溫老化箱整個控制系統(tǒng)的“總開關(guān)”。

圖5 儀表供電電路

高溫老化箱使用時,箱內(nèi)溫度穩(wěn)定之前,溫度不允許存在較大的過沖,可以有較小的波動,波動越小越好,波動時間越短越好,因此,控制溫度的溫控器性能要求較高。溫控器種類繁多,其中PID智能溫控器控溫精確,性能優(yōu)異,國產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。XMTA-7000型智能溫度控制器內(nèi)置專用微處理器,具有PID自整定功能,能精確控制溫度,性能穩(wěn)定,價格低廉,生產(chǎn)該型號溫度控制器的廠家很多,采購方便,非常適用于高溫老化箱的溫度控制。溫控器2主要功能是在特殊情況下起到高溫保護(hù)的作用,控溫精度要求不高,但穩(wěn)定性要好,使用壽命要長。TED-2001指針式溫控器操作簡單,采用二位式調(diào)節(jié),性能可靠性高,應(yīng)用非常廣泛,價格比XMTA-7000溫控器更低,非常適合作為溫控器2使用。

6 控制系統(tǒng)應(yīng)用

將電路器件根據(jù)上文設(shè)計的電路圖安裝到加工好的老化試驗箱內(nèi),測試恒溫狀態(tài)下老化箱內(nèi)溫度梯度<1℃。開機(jī)試運(yùn)行,分別設(shè)置溫控器1、溫控器2溫度150℃、250℃,恒溫延時2小時,記錄隨時間升高的溫度數(shù)據(jù),如圖6所示,可以看出該老化箱升溫迅速,控制溫度準(zhǔn)確。恒溫延時正常,聲光報警正常。該高溫老化箱已經(jīng)完成220℃恒溫試驗30天,目前老化箱無故障,正在運(yùn)行當(dāng)中。

圖6 高溫老化箱升溫曲線

7 結(jié) 論

重點(diǎn)設(shè)計了高溫老化試驗箱的電路系統(tǒng),加熱電路是整個控制系統(tǒng)的核心,具有穩(wěn)定、可靠的恒溫、高溫保護(hù)功能,鼓風(fēng)電路不僅起到了降低老化箱內(nèi)溫度梯度的作用,還有效提高了加熱器的使用壽命,是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分。高溫老化箱控制系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用,是物理電學(xué)知識在大學(xué)物理創(chuàng)新實驗室的實際應(yīng)用,不僅鍛煉了動手操作能力,還為創(chuàng)新實驗室節(jié)約了大量資金,為以后的使用、改進(jìn)、維修提供了便利。

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Design and Application of the Control System in High-Tem perature Aging Test Chamber

WANG Xiu-min,LV Qiang,SUN Shuang-qing
(China University of Petroleum(East China),Shandong Qingdao 266580)

Itmade a design of the control system(e.g.heating circuit,air blast circuit,time control circuit, etc.)and connected circuit applying circuit elements(e.g.AC contactor,time relay,temperature controller, etc.)in standard high-temperature aging test chamber.Testing and tryout indicated that the temperature was precisely controlled by circuit control system,and the temperature gradient in test chamber was also less than 1℃.Meanwhile,the parameters of high-temperature aging chamber has been achieved the using standard,and test chamber has been running for 30 dayswith no fault at high temperature.Overall,the circuit control system is profession,safety and standard.

high-temperature aging chamber;circuit;heating;temperature

TQ 052.6

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.014

1007-2934(2015)06-0047-04

2015-08-19

中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)實驗技術(shù)改革類項目(SY-B201403)

?通訊聯(lián)系人