溫度控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)的儀器設(shè)備中，目前應(yīng)用最多的是單片機(jī)或微機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的溫度控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件部分由輸人輸出接口、中央處理單元、A/D轉(zhuǎn)換、定時(shí)計(jì)數(shù)等集成模塊組成，系統(tǒng)軟件部分需要用運(yùn)算量大的PID算法編程實(shí)現(xiàn)，整套控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜和繁瑣。由分立元件組成的模擬型電路信號(hào)輸入、放大、運(yùn)算及控制輸出都由硬件電路完成，不需要軟件設(shè)計(jì)。與數(shù)字電路相比，其設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程更為簡(jiǎn)便，所以采用簡(jiǎn)易實(shí)用的模擬電路實(shí)現(xiàn)溫控電路的設(shè)計(jì)。

1 溫控總電路組成

溫控電路主要由電源部分、溫度檢測(cè)元件、信號(hào)放大、比例積分、電壓比較、移相觸發(fā)控制繼電器、超溫保護(hù)、加熱爐和LED顯示幾部分組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)電路組成圖

由溫度檢測(cè)元件可以檢測(cè)到溫度值信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后輸送至比例積分電路并與溫度設(shè)定電壓比較，比較結(jié)果輸送至相觸發(fā)電路產(chǎn)生可變周期的脈沖以觸發(fā)固態(tài)繼電器中可控硅導(dǎo)通角，從而可控制加熱裝置的加熱功率，達(dá)到控制溫度的目的。溫度補(bǔ)償電路減少室溫對(duì)溫度測(cè)量準(zhǔn)確度的影響;超溫保護(hù)電路可以保證在加熱溫度超過(guò)設(shè)定值時(shí)，裝置停止加熱，起到保護(hù)設(shè)備的作用。

2 各分電路設(shè)計(jì)

2.1 電源電路

溫控電路中需要直流電壓的器件為運(yùn)算放大器及電子信息顯示模塊。該電壓由220V交流電壓經(jīng)整流濾波后加。至三端穩(wěn)壓器輸出得到。其電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

2.2 輸入溫度信號(hào)放大及溫度補(bǔ)償電路

用感溫元件鎳硌一鎳鉻K型熱電偶作溫度傳感器來(lái)采集溫度信號(hào)，溫度信號(hào)為mV級(jí)，實(shí)際測(cè)量時(shí)需經(jīng)過(guò)放大處理。熱電偶測(cè)量溫度信號(hào)受工作端溫度 和自由端環(huán)境溫度影響，所以測(cè)量中需要加補(bǔ)償信號(hào)消除環(huán)境溫度變化對(duì)溫度測(cè)量的影響。具體電路如圖3所示。

圖3 信號(hào)放大及溫度補(bǔ)償電路

2.3 超溫保護(hù)電路

以將功率為60 w將加熱裝置加熱至750℃為例，圖3中溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)放大100倍后加到比例積分電路并與溫度設(shè)定電壓比較，比較結(jié)果輸送相觸發(fā)電路產(chǎn)生可變周期脈沖以觸發(fā)固態(tài)繼電器。為避免加熱溫 度過(guò)高設(shè)置超溫保護(hù)電路，在溫度過(guò)高時(shí)切斷加熱電壓。具體電路如圖4所示。

圖4 比例積分、電壓比較、移相觸發(fā)及超溫保護(hù)電路

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 電源電路驗(yàn)證

圖2設(shè)計(jì)220 V交流電壓經(jīng)變壓器變壓至整流橋T1、T2,整流為直流電壓，直流電壓經(jīng)電容濾波后輸入三端穩(wěn)壓器及穩(wěn)壓二極管，輸出±12 V、±6 V及5 V電壓。±12 V電壓為運(yùn)算放大器工作電壓;±6 V為偏置電壓;5 V電壓供LED顯示用。其測(cè)量值表1所示。

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，實(shí)測(cè)電壓與設(shè)計(jì)電壓絕對(duì)誤差在±0.1 V之間，完全滿足電路工作需要。

3.2 溫度信號(hào)放大及溫度補(bǔ)償電路驗(yàn)證

圖3是一個(gè)差分放大電路，放大器采用ICL7650,反饋網(wǎng)絡(luò)電阻比R11/R8為100,即溫度毫伏電壓信號(hào)被放大100倍。輸入溫度電壓毫伏信號(hào)為T(mén)C+與TC一端電壓差，TC一端R:為一負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)工作端溫度變化，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)也將變化，而此時(shí)熱敏電阻阻值也將減少并使TC一端電壓的電壓也發(fā)生變化。這樣總的差分輸人信號(hào)隨溫度變化被抵消。如果參數(shù)選擇合適可消除自由端溫度變化對(duì)熱電偶溫度測(cè)量的影響。

圖中CT取自放大以后的溫度毫伏信號(hào)，通過(guò)改變R13與R14及W2比例可取適當(dāng)電壓信號(hào)與溫度值對(duì)應(yīng)，該電壓信號(hào)接至3位半LED顯示表可顯示測(cè)量溫度值。

表2為溫度采集模塊輸出測(cè)試數(shù)據(jù)，由國(guó)標(biāo)K型熱電偶與電勢(shì)對(duì)應(yīng)關(guān)系表可得到熱電偶理論輸出電勢(shì)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試在不同室溫及測(cè)量溫度時(shí)，溫度采集模塊輸出端實(shí)測(cè)電壓是否符合設(shè)計(jì)要求。由測(cè)試數(shù)據(jù) 來(lái)看，通過(guò)溫度采集模塊，被測(cè)溫度電勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)室溫補(bǔ)償后，被準(zhǔn)確放大100倍。

3.3 超溫保護(hù)電路驗(yàn)證

圖4中左上方A2差分放大器LM324與C4,R16,R15,R18。組成比例積分電路，該電路對(duì)放大后的溫度信號(hào)進(jìn)行積分。圖中一6 V電壓經(jīng)過(guò)W3、R20、R21。分壓在R21上產(chǎn)生壓降，通過(guò)電位器W3調(diào)節(jié)使R21上壓降為-3.12 V，該電壓通過(guò)圖中左下方跟隨器LM324輸出與溫度放大信號(hào)進(jìn)行比較，將比較結(jié)果送至后端移相觸發(fā)電路。

圖4中Q2,R22,R26及D1組成超溫保護(hù)電路，如果加熱爐溫度超過(guò)820℃，則圖3溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后ICL7650輸出電壓>3.29 V，此時(shí)穩(wěn)壓二極管D1被反向擊穿，流經(jīng)R26的電流因Q2基極電位升高使Q2導(dǎo)通，Q2集電極電位降至O.3~O.5 V，移相觸發(fā)停止工作，繼電器不輸出加熱電壓，此時(shí)起到超溫保護(hù)作用。

Q1,C5,R24,繼電器和加熱裝置等其它器件組成移相觸發(fā)、交流輸出及升溫部分。移相觸發(fā)電路核心元件為Q1單結(jié)晶體管，其結(jié)構(gòu)、等效電路如圖5所示，伏安特性如圖6所示。

圖5 單結(jié)晶體管結(jié)構(gòu)及等效電路圖

圖6 單結(jié)晶體管伏安特性圖

e為發(fā)射極，b1、 b2分別為第一基極和第二基極。圖4中Q1與C5、R26、R24、R23利用晶體管Q1負(fù)阻特性構(gòu)成震蕩電路。負(fù)阻特性就是當(dāng)晶體管發(fā)射極電流增加時(shí)，發(fā)射極電壓VE反而減小。工作狀態(tài)通電時(shí) ,電容C5上的電壓為零，BT35管子截止，+12 V電源通過(guò)電阻R26對(duì)C5充電，隨時(shí)間增長(zhǎng)電容C5，上電壓逐漸增大;當(dāng)增大至Ueb1峰點(diǎn)電壓Up后，管子進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，輸入端等效電阻迅速減小，此時(shí)C5迅速放電，電流Ie隨之減小，當(dāng)Ueb1減小到谷點(diǎn)電壓Uv后，管子截止;電容C5又開(kāi)始充電。上述過(guò)程循環(huán)產(chǎn)生振蕩。電容上電壓的測(cè)試波形如圖7所示。

圖7 電容C5輸出波形圖

圖7所示BT35輸出為周期性鋸齒波，該鋸齒波加至固態(tài)繼電器直流輸入端可控制交流輸出電壓大小。

實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)改變電壓比較電路中比較電壓大小控制震蕩電路輸出波形導(dǎo)通角，圖8所示為測(cè)試波形示意圖。

圖8震蕩電路輸出波形圖

通過(guò)控制震蕩電路周期T內(nèi)輸出導(dǎo)通角，可以達(dá)到控制電源輸出功率大小的目的，從而改變加熱裝置加熱功率。圖4電壓比較電路中，調(diào)節(jié)電位器W3可改變A2 LM324輸出比較電壓大小。

3.4 溫控效果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)調(diào)節(jié)圖4溫度控制模塊比較電壓大小設(shè)定控制溫度分別為260℃、340℃、460℃、580℃、670℃、750℃。測(cè)試系統(tǒng)溫度控制精度。測(cè)試時(shí)間為7天，每隔24小時(shí)從系統(tǒng)顯示讀取。將實(shí)測(cè)溫度值與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，從測(cè)試結(jié)果看，系統(tǒng)溫度控制精度為±3℃。

圖9溫控測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用效果良好，溫度控制在750℃下，控制精度可達(dá)±3℃。與單片機(jī)溫控系統(tǒng)相比，該溫控電路最大特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，調(diào)試過(guò)程也易于實(shí)現(xiàn)，工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)?？蓱?yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)室等需要進(jìn)行溫度控制的場(chǎng)所。
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