高温老化试验箱控制系统的设计与应用

王秀民,吕 强,孙霜青

(中国石油大学(华东),山东青岛 266580)

高温老化试验箱控制系统的设计与应用

王秀民,吕 强,孙霜青

(中国石油大学(华东),山东青岛 266580)

通过设计加热电路、鼓风电路、时间控制电路等控制系统,选用高性能交流接触器、时间继电器以及温控仪表等电路元件,在按要求加工的高温老化箱体内进行了电路连接,经测试与试运行,结果表明:电路控制系统控制温度准确,箱内温度梯度<1℃,高温老化箱各项参数均能达到使用标准,并且实现了长达30天的无故障高温运行,电路控制系统设计合理、使用安全、参数达标。

高温老化箱;电路;加热;温度

高温老化试验箱是高校、科研院所等科研机构实验室内常见的高温试验设备,是新材料、新产品研发常用的高温仪器。高温老化箱的主要功能是提供精确、稳定的高温环境,为了能满足大学物理创新实验室对高温老化箱多种用途的使用要求,通过设计鼓风、温度、时间等电路控制系统,自行设计高温老化箱。

目前国内高温老化试验箱技术发展迅速,高端产品正在向着高度集成化、高度智能化的方向飞速发展。高端产品功能强大、集成化程度高,与之对应的是价格高昂,维修复杂。为了能满足大学物理创新实验特色化教学的需求,结合对物理电学知识的理解,在深入调研、学习各种电路元器件性能、原理的基础上[1-3],选用性能稳定、寿命长、性价比高的电路元器件,通过设计老化箱电路控制系统,自主研发高温老化箱,在实现控温精确、定时恒温、高温保护等功能的同时,达到操作简单、故障率低、维修方便、价格低等优点。

1 控制系统方案设计

高温老化箱的控制系统包括温度控制电路、鼓风控制电路、时间控制电路以及报警保护电路等,用到的电路元件有温控器、接触器、时间继电器等。设计温度范围:室温-350℃,室内温度梯度<1℃,控温精度<1℃。高温老化箱控制系统设计方案如图1所示,接通老化箱电源,仪表电路通电,按要求对仪表参数进行设置;鼓风电路接通电源,鼓风机开始工作之后,加热电路的控制开关才能接通加热器,否则加热器不工作;时间控制电路、报警电路独立运行。

图1 高温老化箱控制系统设计方案

2 鼓风电路系统设计

鼓风系统是高温老化箱控制系统中非常重要的一部分,高温老化箱内部空气流动是重要且必须的,首先这是实现高温老化箱内部温度均匀分布的重要保证,其次这是缩小加热器表面温度与老化箱内部环境温度差值,避免加热器表面温度过分集中,有效提高加热器寿命的重要方式。本文将鼓风机置于老化箱顶端,风道置于老化箱两侧,加热器对称分布在两侧风道内,出风口是由无数个直径1.5 cm的圆孔组成,两侧出风口相对,老化箱内空气水平流动。鼓风机从老化箱顶端将箱内空气吸入风道,再使空气流经两侧风道内的加热器后,从出风口水平吹出,箱内空气经加热器、试验样品、鼓风机形成封闭循环。老化箱顶部设计可调节大小的通气口,主要是平衡老化箱内外气压,避免老化箱内外气压不同引发危险。

图2 鼓风电路系统

鼓风系统控制电路如图2所示,采用三相四线电源,空气断路器QF为电路总电源控制器,主电路中,交流接触器KM1的主触头与热继电器FR的热元件串联后接入鼓风机。控制电路中,交流接触器KM1的控制线圈与热继电器FR的常闭静触头串联。电源开关QM1、鼓风开关QM2依次闭合后,交流接触器KM1的控制线圈通电,使其主触头吸合,鼓风机开始工作;当鼓风机超负荷时,主电路中电流过大,致使主电路中热继电器FR的热元件动作,控制电路中热继电器FR的常闭静触头断开,控制电路被迫中断,交流接触器KM1的控制线圈断电,其主触头断开,鼓风机停止工作,从而实现鼓风机超载保护。

3 加热电路系统设计

加热系统是高温老化箱控制系统的核心,该系统的设计需要满足两个方面的要求,首先电路中需要具备高温保护功能,要保证高温安全;其次要处于鼓风电路的控制之中,实现鼓风机对加热器散温、保护的作用。加热电路如图3所示,主电路中加热器连接交流接触器KM2的主触头。加热器采用耐腐蚀性能好、辐射率高的镍铬合金加热器。

图3 加热电路系统

控制电路包括交流接触器KM1、交流接触器KM2、加热开关、温控器1、温控器2、时间继电器KT等。当闭合鼓风电路的开关QM2后,交流接触器KM1线圈通电,其辅助常开触头闭合,此时闭合加热开关QM3,使加热控制电路电流导通,交流接触器KM2的线圈通电,交流接触器KM2的主触头闭合,加热器开始工作。该设计能够保证鼓风机工作是加热器工作的必要条件,不仅能够避免鼓风机未启动的情况下,加热器通电后温度过分集中,还能保证当加热器停止供电的时候,鼓风机可以继续给加热器散热,从而可以有效提高加热器使用寿命。时间控制电路不启动的情况下,时间继电器KT常闭触头始终闭合导通。温控器1采用XMTA-7000智能式温控器,该温控器具有温度自整定功能,在电路中的功能是设置、控制老化箱内温度,XMTA-7000智能式温控器的“OUT”端接入控制电路,该端口输出值是按照PID自整定参数进行通断比例输出,能够实现精确控制老化箱内温度。温控器2采用TED-2001指针式温控器,通常温控器2的温度设定值等于或略大于温控器1温度设定值即可,当温控器1误操作或电路出现故障,温控器2不仅能起到稳定温度的作用,还能起到防止老化箱内温度无限升高的作用,在加热电路中起到电路保护的功能。将TED-2001指针式温控器的“低”“总”端口接入控制电路,当老化箱内温度低于设置温度时,控制电路导通,当老化箱内温度高于设置温度时,控制电路断开,从而实现限温的作用。温控器1、温控器2均采用线性好、准确度高、稳定性好的同规格不锈钢PT100铂电阻温度传感器[4-8],既保证了测温的准确性,又保证了测温的一致性。

采用温控器1、温控器2串联的电路设计,电路稳定性极高,不仅可以实现电路高温保护功能,而且使用简单,电路维护、维修方便。

4 时控电路系统设计

时间控制电路是高温老化箱控制系统的辅助部分,在整个控制系统中独立运行,其主要功能是可以自动、准确控制恒温时间。时控电路如图4所示。控制电路中主要有时间继电器KT、温控器1、报警器以及开关等。时间继电器选用数字式DH48S继电器,延时设置范围0-99小时99分钟。闭合电源开关QM1,手动设置恒温延时时间,设置温控器1、温控器2温度,闭合鼓风开关QM2、加热开关QM3、时控开关QM4,当老化箱内温度低于设定温度时,DH48S继电器数显表不显示时间,当老化箱内温度达到设置温度时,温控器1“ALM1”报警输出端闭合,时间继电器KT线圈导通,时间继电器DH48S数显表开始计时,延时开始;延时结束后,图4中时间继电器KT常开触点闭合,同时图3中时间继电器KT常闭触头断开,加热控制电路断开,停止加热,如果报警开关处于闭合状态,声光报警器开始报警。如果需要老化箱长期处于恒温状态,时控开关关闭即可。

图4 时控电路

5 仪表供电电路设计

高温老化箱控制系统中有两个温控器,如图5所示,老化箱在升温之前,需要提前给温控器供电,进行温度设置,限温设置,因此需要设计仪表供电电路,并且配置电源开关。该部分电路的电源开关也是高温老化箱整个控制系统的“总开关”。

图5 仪表供电电路

高温老化箱使用时,箱内温度稳定之前,温度不允许存在较大的过冲,可以有较小的波动,波动越小越好,波动时间越短越好,因此,控制温度的温控器性能要求较高。温控器种类繁多,其中PID智能温控器控温精确,性能优异,国产技术已经非常成熟。XMTA-7000型智能温度控制器内置专用微处理器,具有PID自整定功能,能精确控制温度,性能稳定,价格低廉,生产该型号温度控制器的厂家很多,采购方便,非常适用于高温老化箱的温度控制。温控器2主要功能是在特殊情况下起到高温保护的作用,控温精度要求不高,但稳定性要好,使用寿命要长。TED-2001指针式温控器操作简单,采用二位式调节,性能可靠性高,应用非常广泛,价格比XMTA-7000温控器更低,非常适合作为温控器2使用。

6 控制系统应用

将电路器件根据上文设计的电路图安装到加工好的老化试验箱内,测试恒温状态下老化箱内温度梯度<1℃。开机试运行,分别设置温控器1、温控器2温度150℃、250℃,恒温延时2小时,记录随时间升高的温度数据,如图6所示,可以看出该老化箱升温迅速,控制温度准确。恒温延时正常,声光报警正常。该高温老化箱已经完成220℃恒温试验30天,目前老化箱无故障,正在运行当中。

图6 高温老化箱升温曲线

7 结 论

重点设计了高温老化试验箱的电路系统,加热电路是整个控制系统的核心,具有稳定、可靠的恒温、高温保护功能,鼓风电路不仅起到了降低老化箱内温度梯度的作用,还有效提高了加热器的使用寿命,是整个控制系统的重要组成部分。高温老化箱控制系统的设计与应用,是物理电学知识在大学物理创新实验室的实际应用,不仅锻炼了动手操作能力,还为创新实验室节约了大量资金,为以后的使用、改进、维修提供了便利。

[1] 戴玉梅,张子刚,肖景魁,等.温度传感技术实验电路参数选择的研究[J].大学物理实验,2009,22 (1):1-5.

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[3] 陶玲,卢牧雨,倪玲,等.热老化箱性能对橡胶试验结果的影响[J].特种橡胶制品,2013,34(6): 74-77.

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[6] 迟墨坡.工业温度仪表的选型与使用[J].中国计量,1998,36:36-37.

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Design and Application of the Control System in High-Tem perature Aging Test Chamber

WANG Xiu-min,LV Qiang,SUN Shuang-qing
(China University of Petroleum(East China),Shandong Qingdao 266580)

Itmade a design of the control system(e.g.heating circuit,air blast circuit,time control circuit, etc.)and connected circuit applying circuit elements(e.g.AC contactor,time relay,temperature controller, etc.)in standard high-temperature aging test chamber.Testing and tryout indicated that the temperature was precisely controlled by circuit control system,and the temperature gradient in test chamber was also less than 1℃.Meanwhile,the parameters of high-temperature aging chamber has been achieved the using standard,and test chamber has been running for 30 dayswith no fault at high temperature.Overall,the circuit control system is profession,safety and standard.

high-temperature aging chamber;circuit;heating;temperature

TQ 052.6

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.006.014

1007-2934(2015)06-0047-04

2015-08-19

中国石油大学(华东)教学实验技术改革类项目(SY-B201403)

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