温控仪PID参数对钠钾合金热管校准炉性能的影响*

余占江　闫小克　任家富　王　鹏

(1.成都理工大学，成都 610059；2.中国计量科学研究院，北京 100029)

0　引言

热管是一种利用工质相变进行热量传递的元件，具有较高的传热性能和等温性能。热管技术从20世纪70年代开始迅速发展，由于其工作温度范围广，在余热回收、散热、核能工程、航空航天和电器工业等行业广泛应用。热管的研究和利用主要集中在热管高效的传热特性[1-2]，而对于其优异的均温性能的研究和利用主要在温度计量领域。

热管的工作温度范围取决于热管工质的性质及其管壳材料。在不同温度范围，选择使用不同工质的热管。虽然钠钾合金的传热特性略逊于金属钠，但是钠钾合金仍被认作是优质的传热介质。与钠、钾的物理性能相比，不同配比的钠钾合金在室温时可呈液态。当钠钾合金中金属钠和金属钾的配比不相同时，钠钾合金的熔沸点不同，作为热管工质时，热管可以在不同的温度范围下工作。例如：在空间技术上用于斯特灵放射性同位素动力系统和布雷顿核电转换装置上的散热系统的导热剂[3-4]。国内学者研究了钠钾合金热管的启动特性、等温特性和传热特性[5]，但是这些研究应用主要集中在高温温区。在中温温区合适的热管工质是汞，但是汞有毒且在使用过程中一旦烧毁管壳或泄漏均会造成严重后果，因此汞热管的使用受到了限制。所以，开展钠钾合金热管在中温温区的研究非常有意义。

中国计量科学研究院研制了以钠钾合金为工质的热管及相应的加热炉。热管性能、炉子热结构设计、温控仪性能、室温波动和温度传感器的控温位置等因素会影响钠钾合金热管校准炉性能。但当热管校准炉设计、加工完成后，温控仪的PID控制参数是影响热管校准炉性能的主要因素。因此，当钠钾合金在200℃、400℃运行时，研究了PID参数对钠钾合金热管校准炉温度稳定性的影响。

1　钠钾合金热管校准炉

钠钾合金热管校准炉主要包括加热炉、温控仪、稳压电源及钠钾合金热管，其结构如图1所示。加热炉由绕在氧化铝陶瓷管表面的加热丝加热，通过温控仪控制加热炉内的温度。热管具有六个温度计阱，标准铂电阻温度计放置于温度计阱内。测量装置包括MicroK400测温仪、标准铂电阻温度计。利用测温仪测量铂电阻温度计在计阱内的温度。为避免金属对铂电阻温度计的污染，在温度计阱内插入石英套管保护管。

为了获得均匀、稳定的温场，在设计钠钾合金热管校准炉的时候采取一系列针对性的措施：

1)选用钾的质量百分数为55%的钠钾合金为工质，该合金在室温下为液态，其启动性能优于纯钠、纯钾的热管[6]；

2)采用两段加热方式，提高加热炉垂直温场的均匀性，上段为辅助加热丝，下段为主加热丝；

3)采用在热管温度计阱覆盖不锈钢吸液芯，增强钠钾合金热管毛细吸引力，以提高钠钾合金热管的传热性能。

4)为了减小加热时炉子上部漏热造成加热炉加热不均匀，加热炉采用上下两段加热丝调整加热炉内的温场；

5)在高精度控温仪设定的温度下进行PID参数的自整定，获取控温参数。

图1　钠钾合金热管校准炉结构示意图

实验过程中，根据需要设定钠钾合金热管校准炉的温度，当达到设定温度后，启动温控仪自整定功能，获取该设定温度下PID参数。由于整定后的PID参数不一定是最优的控制参数，因此，需要手动调节，寻求合适的参数，提高温度计阱内温度稳定性。

2　温控仪参数PID的影响

PID控制是一个传统控制方法，因其结构简单，控制效果好，所以在温度、压力、流量、液位等系统的控制中广泛应用。PID控制指的是比例、积分、微分控制，实现PID控制的装置称为PID控制器。PID控制器的输入输出关系表达式为：

式中：KP是对偏差e(t)进行比例运算的系数；KI是对偏差e(t)进行积分运算的系数；KD是对偏差e(t)进行微分的系数。通过对KP、KI、KD三个参数值的调整，使系统达到满意的性能。

在PID控制中，当系统出现偏差时，合适的比例系数可以加快调节速度，使系统迅速稳定下来。比例控制器表达式为:u1(t)=KPe(t),所以KP越大比例控制效果越好。但是，比例系数过大时，会出现过大的超调量，并出现振荡，造成系统不稳定；当比例系数过小，比例控制器的作用较弱，系统的调节速度慢。因此，当控制系统不稳定的时候可适当地增大或减小比例系数，可以使系统迅速稳定下来。KP对控制结果的影响如图2所示。

图3　积分控制作用

图4　微分控制

3　实验结果

为了研究钠钾合金热管在约200℃时，热管计阱内温场的均匀性和稳定性，通过实验确定合适的上部辅助控温温度、下部主控温度分别为180℃、205℃。当加热炉在上述温度稳定后，启动温控仪PID参数自整定功能，得到的P、I、D参数分别为37.68、1348.2、226.4。在该参数共同作用下，Microk-400高精度电桥测量放置在两个温度计阱内高温铂电阻温度计(s/n:91409、s/n:93097)的测量结果如图5所示。实验结果表明：在约200℃时，不合适的PID参数使钠钾合金热管温度计阱内的温度在17个小时内的稳定性是±35mK，其温度稳定性实验结果不理想。

图5　200℃不合适PID参数的稳定性实验结果

为了进一步提高温度计阱内温度稳定性，在试凑法[6]的基础上，通过手动调节温控仪PID参数。调整后的P、I、D的值分别为65.26、1174.5、226.4。此时，温度控制器可以精确地控制设定温度，钠钾合金热管温度计阱内温度稳定性显著提高。钠钾合金热管校准炉计阱7个小时的稳定性为±4mK，如图6所示。

图6　200℃合适PID参数的稳定性实验结果

实验结果表明：钠钾合金热管校准炉在200℃运行时，在优化后PID参数作用下，温度计阱内7个小时稳定性为±4mK。因此，优化PID参数将其稳定性从±35mK提高到±4mK。

同理，钠钾合金热管在400℃运行时，也发现温控仪PID参数会影响钠钾合金热管温度稳定性。在自整定PID参数(P=30.66、I=838.8、D=115)控温时，钠钾合金热管温度计阱17小时内的稳定性是±18mK，实验结果见图7。而通过调整后，当P=28.63、I=666.5、D=113.1，钠钾合金热管校准炉7个小时内温度稳定性为±4mK，见图8。

图7　400℃不合适PID参数的稳定性实验结果

图8　400℃合适PID参数的稳定性实验结果

4　结论

理论分析了温控仪PID参数对控温效果的影响。在此基础上，实验研究了温控仪PID参数对钠钾合金热管校准炉温度稳定性的影响。实验结果表明：PID参数可显著影响钠钾合金热管校准炉的性能。在自整定的基础上，通过人工调整方法，获取合适的PID控制参数，可显著提高钠钾合金热管校准炉温度计阱内温度稳定性。

[1]陈连忠.高温热管在热防护中应用初探[J].前沿科学，2009,2(3):41-45

[2]曲伟.高温及超高温热管的相容性和传热性能[J].化工学报,2011，62(S1):77-81

[3]C E Andraka，S H Goods，R W Bradshaw，J B Moreno，T A Moss，S A Jones.Na-K pool-boiler bench-scale receiver durability test.Test Results And Materials Analysis.The 29th IECEC，Monterey，CA，1994，29(6): 105-127

[4]W G Anderson，C Tarau.Variable conductance heat pipes for radioisotope stirling systems.STAIF 2008，New Mexico，2008，25(969): 679-688

[5]M G 捷曼尔，胡亚才，冯踏青，屠传经.钠钾合金高温热管性能试验研究.浙江大学学报，1999，33(4): 414-417

[6]刘玲玲.PID参数整定技术的研究及应用[D].郑州大学机械工程学院，2010