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)過程更為簡便，所以采用簡易實(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
由溫度檢測元件可以檢測到溫度值信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過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采集溫度信號(hào)，溫度信號(hào)為mV級(jí)，實(shí)際測量時(shí)需經(jīng)過放大處理。熱電偶測量溫度信號(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 度過高設(shè)置超溫保護(hù)電路，在溫度過高時(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。其測量值表1所示。
從測試結(jié)果來看，實(shí)測電壓與設(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TC+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)熱電偶溫度測量的影響。
圖中CT取自放大以后的溫度毫伏信號(hào)，通過改變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顯示表可顯示測量溫度值。
表2為溫度采集模塊輸出測試數(shù)據(jù)，由國標(biāo)K型熱電偶與電勢對(duì)應(yīng)關(guān)系表可得到熱電偶理論輸出電勢，實(shí)驗(yàn)測試在不同室溫及測量溫度時(shí)，溫度采集模塊輸出端實(shí)測電壓是否符合設(shè)計(jì)要求。由測試數(shù)據(jù) 來看，通過溫度采集模塊，被測溫度電勢信號(hào)經(jīng)過室溫補(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W3、R20、R21。分壓在R21上產(chǎn)生壓降，通過電位器W3調(diào)節(jié)使R21上壓降為-3.12 V，該電壓通過圖中左下方跟隨器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820℃，則圖3溫度信號(hào)經(jīng)過放大后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電源通過電阻R26對(duì)C5充電，隨時(shí)間增長電容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又開始充電。上述過程循環(huán)產(chǎn)生振蕩。電容上電壓的測試波形如圖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所示為測試波形示意圖。
圖8震蕩電路輸出波形圖
通過控制震蕩電路周期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℃。測試系統(tǒng)溫度控制精度。測試時(shí)間為7天，每隔24小時(shí)從系統(tǒng)顯示讀取。將實(shí)測溫度值與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，從測試結(jié)果看，系統(tǒng)溫度控制精度為±3℃。
圖9溫控測試試驗(yàn)結(jié)果圖
4 結(jié)束語
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)簡便，調(diào)試過程也易于實(shí)現(xiàn)，工作狀態(tài)穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)。可應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)室等需要進(jìn)行溫度控制的場所。
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