热控技术应用讲座

热控技术应用讲座热工控制是通过各种热工仪表和仪器,对热工参数进行测量和调节,来达到监视、控制和调节生产的目的。热工仪表是工业自动化仪表的主要组成部分,能方便而准确地检测和调节某些生产过程中的工艺参数。在某些生产过程中装设热工仪表,是为了在某些被监视的运行参数达到或超过规定值时,能在仪表上及时反映出来,并进行自动调节或用一定的形式（如灯光和声响信号）引起运行人员的注意,以便及时采取相应的措施,保证生产过程的正常运行。1.热工仪表的分类热工仪表按所检测的参数分类,有以下几种。1)温度测量仪表:包括膨胀式温度计,压力式温度计和热电偶测温装置等。2)压力测量仪表:包括液柱式压力计,弹性式压力表及压力变送器等。3)流量、液位测量和压差仪表:包括孔板流量计、浮子流量计、连通管液位计和差压液位计等。2.热工仪表的结构及工作原理（1）膨胀式温度计常见的膨胀式温度计有玻璃管水银温度计和酒精温度计,是就地指示的测量仪表。它们都是由装有液体（水银或酒精）的测温包、毛细管和标尺组成,利用液体体积热胀冷缩的性质制成的。水银温度计的最大测量范围是－30～700℃,酒精温度计的测量范围是－80～75℃。其标尺上的刻度是根据使用环境的环境要求而制定的使用范围。工业上常用的是水银温度计。温度计可以直接测量物体的温度,但由于玻璃的脆性,为了防止温度计受到冲击或碰撞而损坏,玻璃管温度计通常均带金属保护套安装。在测量工业管路中流体的温度时,通常温度计都安装在专门焊接在管路中的测温套管内,如图3-41所示。（2）压力式温度计压力式温度计是工程用的测温仪表,它的作用原理是基于温度变化时,工作物质的体积或压力变化,而间接测量温度的。根据充入的不同工作介质,可测量－50～550℃范围以内的温度,并可以把温度指示值传送到比较远的地方。图3-42所示是压力式温度计的结构图,其主要零件有浸的被测介质内的温包,毛细管及一端焊在支架上,另一端用盖于封死的空心簧管。在支架内部有槽,此槽通过金属毛细管把管式弹簧内腔与温包连接起来。管式的自由端和拉杆互相铰接。这个拉杆的另一端与扇形齿轮互相铰接。扇形齿轮又与小齿轮相互啮合。在小齿轮的轴心上装着指针。在温包、金属毛细管和管式弹簧所组成的系统内,充满着工作介质（氮气等）,并密封起来。当温包受热时,系统内部工作介质的压力增大,使管式弹簧稍微伸直些,此时,管式弹簧的自由端就要向右上方稍许移动,带动与它连接的扇形齿轮转动。扇形齿轮和小齿轮是啮合的,（3）热电偶测温装置热电偶是一种工业上使用很广泛的测温元件。热电偶测量温度的原理是基于一种金属与另一种金属之间的热电现象。当两种不同金属导体的两端连成一闭合回路时,若两端温度不同,就什在回路中产生热电势。其原因是两种金属在温度变化时,因互相扩散的自由电子数目的不同产生电压,称为接触电势。这个电压随温度的变化,可以由导线引出,显示在仪表上。热电偶的构造因所用金属的种类不同而有所不同,但又大体相似。一般由热电极、绝缘套管、保护套管及接线盒等构成。如图3-43所示,套有耐热绝缘套管的热电极装在保护套内。接线盒内有两个接线端,分别注有“+”和“－”符号,用来固定热电极和外接的补偿导线。（4）液柱式压力计工程上,一般用表压值作为被测压力的绝对值,以帕（Pa）为单位,常用的单位的兆帕（MPa）。如果被测压力低于大气压力,称为负压或真空。测量表压力的仪表叫压力表,测量负压的仪表叫负压表或真空表。液柱式压力计是利用液柱的重力与被测压力相平衡,从而用液柱高度来表示被测压力数值的仪表。这种仪表在实验室和生产上常被广泛地用于测量气体和液柱的低压力和负压表压。如图3-44所求是U型管压力表的结构图。U型管内充以一半高度的工作液体（标尺的零位）。测量压力时,管的一端通入被测介质,另一端通大气。U型管内的液面就会一端升高,另一端降低。若被测介质端液柱降低,所测得的压力为正压;反之为负压。液柱高度差等于一测刻度零点以上与另一侧零点以下两个读数总和。若管径一致,由为一侧刻度的两倍。所测压力为P=·r式中P———被测压力值,Pah———工作液的液面差,㎜r———仪表所处环境温度下的工作液的重度N/m3。因在一定条件下液体的重度r是不变的,故所测压力在过去还有用工作液柱的高度来计（5）弹性式压力表弹性式压力表又称弹簧管压力表,是利用弹性元件受力后产生变形而引起位移,经过连杆和齿轮传动机构放大,传递到仪表的指针上,指示出被测压力的数值的。图3-45所示是弹性式压力表结构图。其敏感元件是弹簧管,它一端是封死的自由端,另一端焊接在接头上。被测介质由接头引入弹簧管,介质的压力使弹簧管的自由端向上方扩张,通过拉杆使扇形齿轮作逆时针方向偏转,从而使中心齿轮带动同的指针作顺时针方向偏转,在面板上指示出被测的压力数值。游丝是用来克服因扇形齿轮和中心齿轮的间隙而产生的仪表偏差。改变调整螺钉的位置,可以调整压力表的量程。弹簧管的材料是根据所测量的范围和测量介质不同而选用不同的金属。（6）差压式流量计的节流件测量流量的仪表称为流量计,它能指示出被测定量的瞬时数量。目前测量液体、蒸汽和气体流量时,主要是使用差压式流量计。它由节流装置,引压管和差压计三部分组成。这里只介绍节流装置的节流件的形式。1)孔板。孔板是节流件中构造最简单,应用最广泛的一种。孔板的主要尺寸都已经标准化。其中环室式孔板应用最广,它是一片中心开孔的薄圆盘,开孔的中心与管子的中心线相重合。在流束流入的一面,孔板开孔成圆柱形;在流束流出的一面则制成圆锥形,圆锥角大于或等于30º。取压采用环室。环室的伤是使孔板前后沿着圆周的压力平均,以获得较准确的压差值。由于环室的制造工艺复杂,因此常用于内径小于400毫米的中、低压管道中。环室式孔板的结构如图3-46所示。2)喷嘴。节流件的另一种形式是喷嘴。它是一个渐缩的喷管,进口是圆孔,出口是圆柱形,如图3-48所示。当工作介质流过喷嘴时,在流入的一面流束收缩,一部分是在圆弧所限制的孔间内进行,不像孔板那样突然收缩,所以能量损耗也就相应地减少。喷嘴的圆弧部分和圆柱形部分,可使流束的收缩达到充分和完全的程度。（7）连通管液位计在储液容器和设备中,储集的液体与其上面的空气或其它气体的分界面,称为液位。由于计量和监测的需要,对液位要经常进行测量。目前采用测量液位的仪表主要有连通管液位计、浮漂液位计、差压液位计和电接点液位计等。连通管液位计是一种长期使用的普通直读式液位计,常用的有管式和板式两种,如图3-49和3-50所示。根据连通管原理,玻璃管或板中液面与容器中液面高度一样,因此,从玻璃管液位便能知道容器中液面的高度。3热控技术的应用实例（1）交流冲压型热工信号装置图3-51是常用的热工信号系统图,由单独的灯光信号和公用的音响信号两部分组成的。灯光信号由各测量仪表或保护装置的信号接点提供,有时也经中间继电器转换提供,并由光字牌等设备实现灯光显示。音响信号包括冲出继电器、电铃、控制开关和按钮等设备,用以实现音响报警和音响解除。1)交流冲出信号继电器。ZC-11A型交流冲出信号继电器是一种带有干簧密封触点的继电器,能接受重复信号,如图中的ZC。它是由GHJ干簧继电器、出口元件ZJ中间继电器、倍压整流滤波电路（由二极管D1,D2和电容C1,C2组成）和微分电路（R2和C3）等组成。当有信号电流时,在附加电阻Rf上将产生一电压降送入继电器。此电压降与电流成正比,经倍压整流滤波后,送入微分电路,在GHJ线圈上形成一个电容充压电流,即微分电流,而使之启动,接点闭合接通出口中间继电器ZJ回路,使ZJ2闭合而启动电铃;ZJ3闭合而启动外接的时间继电器SJ,为复归作准备。继电器可用外接电路的按钮JA复归,或由时间继电器SJ启动中间继电器1ZJ,使1ZJ的常闭接点打开而自动复归。此时ZJ线圈断电接点返回,音响信号停止。如果信号并未消失,则灯光信号继续保持,而因微分电路的过渡过程已经完毕,GHJ线圈上没有电流而不会再动作。当有第二个信号电流时,在附加电阻RF上将产生一个电压增量,而使继电器重复上述动作,实现重复音响。当信号回路中的冲出电流消失后,C1.C2上的电压通过R1进行放电,C3上的电压通过R2放电。ZC-11A型冲出继电器是按附加电阻为10Ω、冲出动作电流不大于0.2A、信号回路的最大电流不超过3A的条件,选择微分电路参数的。2)热工信号系统的动作过程。图3-51所示的冲出继电器热工信号系统由控制开关HK控制,它有“投入”和“试验”两个位置。控制开关HK的手柄置于“投入”位置时,接点1与4,5与8接通。若某一信号回路的接点1G接通时,使A7011G1DHK1-4RFN和A7011G2DHK3-8RFN构成回路,光字牌指示灯1D和2D壳,显示出异常情况。同时,在附加电阻R1上将出现一个电压,而使冲出继电器ZC动作,发出音响信号。经数秒后,音响自动解除,ZC恢复到原来位置。若第一个信号未消失而又出现第二个信号时,附加电阻R1即与四个灯泡的并联电阻串联分压,其电压降将比与两个灯泡并联电阻串联分压时大,于是就有电压增量动启动ZC。同样,在出现第三个信号时,又有就的电压增量使ZC动作。但因ZC的最大电流有一定限制,因此重复信号的次数也有限制。在运行中,需要定期检查热工信号系统的音响和灯光是否处于完好状态。此时可将控制开关HK的手柄放在“试验”位置,接通两个回路:（1）HK5-6和HK1-2接通,每一个光字牌的两个灯泡串联而接到电源上。所有光字牌都并列,均应亮但较暗。如果有不亮的,则说明灯泡有损坏或线路未接对,应更换灯泡或进行调整。（2）HK9-10接通,附加电阻RF上出现一个电压,其数值由RE和RF的数值决定,使冲出继电器动作而发出音响信号。（2）热处理炉温的自控系统在金属热处理工艺中,温度参数必须准确测量,但更重要的是给予精确的控制,而精确的控制必须使用自动化仪表组成的炉温自动控制系统。此系统是由调节对象（热处理炉）和调节器、执行器及变送器等组成负反馈的闭环系统。其中调节器是一个关键的环节,假如其它三部分都近似看作纯比例特性环节时,自控系统的调节特性就仅随调节器的变化而变化。二位式调节器是只有通、断两种工作状态的调节机构。如图3-52是二位式调节器的特性曲线。横坐标表示炉子实际温度与给定值之差ΔΥ,纵坐标表示调节器的输出信号,它只有“1”和“0”（即“通”和“断”）两个数值（状态）。调节器在偏差ΔΥ=0附近的不灵敏区为2ΔΥ。图3-53是二位式自控系统示意图。变送器是热电偶,二位调节器控制触器C的通断,从而控制电热丝的通电或断电。当炉温偏差在-ΔΥ以下时,调节器输出为“1”,接触器C接通,电热丝得电,电炉以全功率加热,炉温上升。当炉温上升至偏差大于ΔΥ时,调节器输出“0”,接触器C断开,电炉停止供电。由于电炉存在热惯性,炉温在停止供电后的一段时间内仍继续上升一段才开始下降。当炉温下降至偏差为-ΔΥ以下时,调节器又输出“1”,电炉又以全功率加热。此后循环上述工作过程。由此可见,系统的调节过程是一个稳定的持续振荡过程,即炉温在给定值t0上近似地正弦曲线波动。二位式炉温自控系统的温度波动幅度可达+（10-25）℃。