楊雷崗，張丕迪，李 飛，于偉業(yè)，王韋國，孫繼松

(鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100092)

1 引 言

當(dāng)前用于材料力學(xué)性能測試的高溫爐溫控系統(tǒng)大都采用測控一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)，包括高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)和高溫持久蠕變試驗(yàn)機(jī)。用于測量溫度的傳感器(熱電偶)既用來測試試驗(yàn)場的溫度，又用來作為閉環(huán)控制溫度反饋熱電偶。一根熱電偶既用來測溫又用來控溫，這種溫控方式只能保證熱電偶周圍一定范圍內(nèi)的溫度是準(zhǔn)確的，而試驗(yàn)過程中試樣不是固定不變的，這種測控一體的控溫方式顯然不能滿足試驗(yàn)的要求。針對常用的溫控系統(tǒng)存在的問題，本文提出了一種三控三測即測控分離的溫控方案。

2 存在的問題

常用的溫控系統(tǒng)都是閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的示意圖如圖1所示。其中，被控對象為試驗(yàn)用高溫爐，測量裝置為熱電偶，調(diào)節(jié)器為溫控儀表，執(zhí)行機(jī)構(gòu)為固態(tài)繼電器或者可控硅等直接驅(qū)動(dòng)電阻絲的元器件。

圖1 閉環(huán)控制示意圖

對于常規(guī)的試驗(yàn)機(jī)，測控一體的溫控系統(tǒng)通常需要3根熱電偶，主要用來保證高溫爐內(nèi)沿試樣軸線方向的爐溫均勻性。3根熱電偶需要設(shè)定同樣的目標(biāo)值，控制穩(wěn)定后在高溫爐內(nèi)就會(huì)形成一個(gè)均溫區(qū)。測控一體的溫控系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 溫控系統(tǒng)原理圖

溫控系統(tǒng)中的3根熱電偶一般都使用鎧裝熱電偶，從高溫爐的側(cè)面直接側(cè)插到高溫爐內(nèi)，如圖3所示。

圖3 鎧裝熱電偶與高溫爐的連接

這種控溫方式存在的主要問題是不能保證試樣的溫度與設(shè)定的溫度相一致。由于鎧裝熱電偶無法與試樣直接接觸，或者由于試樣的直徑和長度不同，造成熱電偶與試樣不能很好地接觸，造成試樣和熱電偶之間有溫度差。同時(shí)，由于熱電偶是固定的，只能保證在一定區(qū)間范圍內(nèi)的溫度是正確的，而試樣在拉伸過程中會(huì)有不同程度的伸長，對于伸長率比較高的試樣，在拉伸過程中可能會(huì)超出均溫區(qū)，造成試樣上溫度發(fā)生變化，從而影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 三控三測溫控系統(tǒng)

重新設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)方案，既要保證試樣上的溫度是準(zhǔn)確的，又要能形成一個(gè)均溫區(qū)，在試樣拉伸過程中使試樣的溫度保持準(zhǔn)確恒定?；c以上兩點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新的三控三測溫控系統(tǒng)，其控制示意圖如4所示。

圖4 串級控制示意圖

相對于測控一體的閉環(huán)溫度控制系統(tǒng)，本方案增加了一路測量裝置，由兩個(gè)串接工作的控制器構(gòu)成雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過設(shè)置副控對象來提高主控對象的控制質(zhì)量。由于副回路的存在，對外界干擾有超前控制的作用，減少了干擾對主控對象的影響，有效改善溫控系統(tǒng)的滯后特性。三控三測溫控系統(tǒng)的單段控制原理圖如圖5所示。

圖5 串級溫控系統(tǒng)原理圖

本方案選用azbil公司某型號串級控制溫控儀表，控溫方式采用主控和副控串聯(lián)調(diào)整溫度的控制方式，實(shí)現(xiàn)高溫爐三控三測的閉環(huán)控制。固定到試樣上的3根測溫?zé)犭娕寂c溫控表相關(guān)通道連接，構(gòu)成副控制系統(tǒng)。側(cè)插到爐子上的3根控溫?zé)犭娕寂c溫控表相關(guān)通道連接，構(gòu)成主控制系統(tǒng)。整個(gè)控溫過程中，副控制系統(tǒng)不斷獲取并監(jiān)控測溫偶上的溫度，并將溫度通過模擬量信號反饋給主控制系統(tǒng)。主控制系統(tǒng)通過對目標(biāo)設(shè)定溫度，對控溫?zé)犭娕急O(jiān)測的溫度及副控制系統(tǒng)反饋的溫度進(jìn)行判斷和運(yùn)算，進(jìn)而向爐絲加熱執(zhí)行器發(fā)送指令，最終實(shí)現(xiàn)對高溫爐內(nèi)和試樣上溫度的穩(wěn)定控制。

本方案中的測溫?zé)犭娕疾捎弥苯咏佑|式(如圖6所示)，而不是采用傳統(tǒng)的使用棉線直接綁縛到試樣上的方式。這種直接接觸的測溫方式安裝方便，可以直接在高溫狀態(tài)下完成安裝。同時(shí)，與試樣直接接觸，測溫準(zhǔn)確穩(wěn)定。

圖6 特制鎧裝熱電偶

4 使用效果

將三控三測溫控系統(tǒng)應(yīng)用在高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)上，在300℃、600℃和900℃做了爐溫均勻性的檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表1。從表中可以看出，在高溫、中溫和低溫條件下，測溫偶和控溫偶之間的誤差都在要求范圍之內(nèi)，沒有超出誤差范圍的現(xiàn)象。

表1 檢驗(yàn)結(jié)果

在不同的溫度下進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測溫偶和控溫偶的溫度也沒有出現(xiàn)變化，說明通過測溫偶和控溫偶，在高溫爐內(nèi)形成了一個(gè)完整的均熱帶，可保證在均熱帶范圍內(nèi)溫度是基本恒定不變的，這樣可以保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

5 結(jié)束語

本文通過對常用的溫控系統(tǒng)進(jìn)行分析和測試，發(fā)現(xiàn)測控一體的溫控系統(tǒng)在實(shí)際使用過程中存在一定的問題。重新設(shè)計(jì)了一種測控分離的溫控系統(tǒng)，增加熱電偶的數(shù)量，將測溫偶和控溫偶分離，測溫偶直接與試樣接觸，控溫偶側(cè)插進(jìn)高溫爐內(nèi)，通過溫控儀表的調(diào)節(jié)，最后在高溫爐內(nèi)形成均溫區(qū)，滿足試驗(yàn)的要求。