第一篇：氧化鋁焙燒溫度控制系統課程設計-精品

氧化鋁焙燒溫度控制系統課程設計

摘要：氧化鋁是電解鋁生產的主要原料，針對我國礦石特點，我國氧化鋁的生產工藝主要采用的是拜爾法和燒結法以及混聯法，在拜爾法中焙燒工序是氧化鋁生產必不可少的一個過程，并且是整個氧化鋁生產的最后一道工序，該生產過程的主要任務是將來自分解或平盤的帶有附著水的氫氧化鋁物質在焙燒爐中高溫煅燒，脫除附著水和結晶水，從而生成物理化學性質符合電解要求的氧化鋁。氧化鋁焙燒的主要工藝參數是灼燒溫度．灼燒溫度的高低與穩定與否直接決定著氧化鋁的出廠質量，所以穩定控制氧化鋁灼燒溫度是保證氧化鋁生產質量 的主要途徑。本文以氧化鋁焙燒生產過程控制系統為背景，開展了氧化鋁焙燒生產過程控制策略的研究和控制系統的設計以及器件的選型。

關鍵詞：氧化鋁焙燒；器件選型；串級控制系統；PID參數整定

一、氧化鋁生產工藝

生產氧化鋁的方法大致可分為四類：堿法、酸法、酸堿聯合法與熱法。目前工業上幾乎全部是采用堿法生產。堿法有拜耳法、燒結法及拜耳燒結聯合法等多種流程。

目前，我國氧化鋁工業采用的生產方法有燒結法，混聯法和拜耳法三種，其中燒結法占20.2％，混聯法占69.4％，拜耳法占10.4％。雖然燒結法的裝備水平和技術水平在今年來有所提高，但是我國的燒結技術仍處于較低水平。而由于拜耳法和燒結混合法組成的混聯法，不僅由于增加了燒結系統而使整個流程復雜，投資增大，更由于燒結法系統裝備水平和技術水平不高，使得氧化鋁生產的能耗增大，成本增高，降低我國氧化鋁產品在世界市場上的競爭力。拜耳法比較簡單，能耗小，產品質量好，處理高品位鋁土礦石，產品成品也低。目前全世界90％的氧化鋁是用拜耳法生產的。

拜耳法的原理是基于氧化鋁在苛性堿溶液中溶解度的變化以及過氧化鈉濃度和溫度的關系。高溫和高濃度的鋁酸鈉溶液處于比較穩定的狀態，而在溫度和濃度降低時則自發分解析出氫氧化鋁沉淀，拜耳法便是建立在這樣性質的基礎上的。

下面兩項主要反映是這一方法的基礎：

Al2O3xH2O?2NaOH?(3?x)H2O?2NaAl(OH)4

NaAl(OH)4?Al(OH)3?NaOH

前一反映是在用循環的鋁酸鈉堿溶液溶出鋁土礦時進行的。鋁土礦中所含的一水和三水氧化鋁在一定條件下以鋁酸鈉形態進入溶液。后一反映是在另一條件下發生的析出氫氧化鋁沉淀的水解反應。鋁酸鈉溶液在95-100度不致水解的穩定性可以用來從其中分離赤泥，然后使溶液冷卻，轉變為不穩定狀態，以析出氫氧化鋁。

拜耳法生產過程簡介：原礦經選礦、原礦漿磨制、溶出與脫硅、赤泥分離與精制、晶種分解、氫氧化鋁焙燒成為氧化鋁產品。

1破碎后進廠的碎高礦經均化場均化后，用斗輪取料機取料入輸送機進入鋁礦倉，石灰石經煅燒后輸送到石灰倉，然后與循環母液經調配后按比例進入棒磨機、球磨機的兩段磨和旋流器組成的磨礦分級閉路循環系統。分級后的溢流經緩沖槽和泵進入原礦漿儲槽，用高壓泥漿泵輸送礦漿進入多級預熱和溶出系統，加熱介質可用溶鹽也可用高壓新蒸氣，各級礦漿自蒸發器排出的乏氣分別用來預熱各級預熱器中的礦漿。溶出設備可用套管加熱與高壓釜組成溶出器組。溶出后的礦漿經多級降壓自蒸發器降壓后，與赤泥一次洗液一同進入礦漿稀釋槽。末級自蒸發器排出的乏氣，用來預熱赤泥洗水，洗水由循環水和不合格的冷凝水組成。稀釋礦漿進入分離沉降槽，其溢流經過葉濾和降溫后送去晶種攪拌分解，分解后的氫氧化鋁漿液經分離后，大部分氫氧化鋁返回種分槽作為晶種使用，其余部分送去洗滌，洗水用純凈的熱水，洗凈后的氫氧化鋁送去焙燒，焙燒后的氧化鋁即為成品氧化鋁。分離后的種分母液送去蒸發，加入少量鹽類晶種以誘導鹽類晶種析出，其溢流與濾液、補充新的液體苛性鈉后組成循環母液，送去調配制備原礦漿。

二、氧化鋁生產焙燒過程工藝

氫氧化鋁焙燒是氧化鋁生產工藝中的最后一道工序。焙燒的目的是在高溫下把氧化鋁的附著水和結晶水脫除，從而生成物理化學性質符合電解要求的氧化鋁。(1)焙燒原理

氫氧化鋁經過焙燒爐的干燥段，焙燒段和冷卻段使之烘干，脫水和晶形轉變而變成氧化鋁產品其化學變化可分為以下幾個階段。

（a）脫除附著水

CAl(OH)3H2O?100???Al(OH)3?H2O ?當溫度高于100C時氫氧化鋁中的附著水被蒸發，此反應發生在閃速干燥器。(b)脫除結晶水

結晶水的脫除分兩步進行，250-300度時，失去兩個結晶水，在500-600度的溫度下它失去最后一個結晶水。而成為r?AlO。

23300CAl2O33H2O?250?????Al2O3?2H2O ??600CAl2O3H2O?500??????Al2O3?H2O ?(c)晶型轉變

氫氧化鋁在脫水過程中伴隨著晶體轉變，r?Al2O3在950度時開始進行晶型轉變，逐漸由r?Al2O3轉變為a-Al2O3。

(2)氧化鋁焙燒過程生產過程流程介紹

流態化焙燒是世界上最先進的氫氧化鋁焙燒技術與裝置，流態化是一種固體顆粒與氣體接觸而變成類似流體狀態的操作技術。而固體物料在流態化狀態下與氣體或液體的熱交換過程最為強烈。(a)此爐型采用了在干燥段設計熱發生器這一新穎措施，當供料氫氧化鋁附著水含量增大時，不需象其它爐型那樣采取增加過剩空氣的方式來增加干燥能力，僅需啟動干燥熱發生器來增加干燥段熱量，避免了廢氣量大增而大量損失熱量，因此，與前二種爐型相比，氣體懸焙燒爐熱耗和電耗要低。

(b)整套裝置設計簡單。一是物料自上而下流動，可避免事故停爐時的爐內積料和計劃停爐時的排料；二是設備簡單，除流化冷卻器外無任何流化床板，沒有物料控制閥，方便了設備維檢修：三是負壓作業對焙燒爐的問題診斷和事故處理有利。這些都有利于故障后生產的快速恢復，給生產組織帶來方便。

(c)控制回路簡單，氣體懸浮焙燒爐雖有多條自動控制回路，但在生產中起主要作用的僅有2條，一條是主燃燒系統的主爐溫度控制回路，另一條是O2含量控制回路。

三、焙燒爐溫度控制方案設計

目前工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標志。一個控控制系統包括控制器、傳感器、變送器、執行機構、輸入輸出接口。控制器的輸出經過輸出接口、執行機構，加到被控系統上；控制系統的被控量，經過傳感器，變送器，通過輸入接口送到控 制器。

(1)對于焙燒過程而言，主要控制焙燒爐出口溫度。而影響焙燒爐出口溫度的因素主要就是燃料的流量，而流量又決定于主燃燒器的流量閥門的開度。因此，我們引入中間點信號，即最能反應焙燒爐出口溫度的進入主燃燒器中的燃料流量，作為調節器的補充信號，以便快速反應影響焙燒爐出口溫度變化的擾動，引入該點作為輔助被調量，通過調節管道上流量閥的開度調整燃料的流量，組成了流量．溫度串級調節系統，從而調節焙燒爐的出口溫度，來保氧化鋁的產量和質量口”。焙燒爐溫度控制回路流程圖如圖所示：

圖1 焙燒爐溫度控制回路流程圖 焙燒爐溫度控制回路設計為串級控制回路，主回路為溫度控制回路，其輸入為焙燒爐的出口溫度的設定值，控制器輸出為副回路的輸入，測量儀表為一體化熱電偶；副回路為流量控制回路，其輸入為主控制器的輸出或主燃燒器的流量設定，控制器輸出為主燃燒器V19流量調節閥的百分比開度，執行機構為流量電動調節閥，測量儀表為電磁流量計。從方框圖可以看出，串級調節系統有兩個閉環的調節回路：

圖2 溫度控制回路結構圖

a）由PID控制器、調節閥、主燃燒器、流量計構成了副環回路。b）由PID控制器、副環回路、焙燒爐、溫度計構成了主環回路。

副環回路為流量調節系統，選用標準PID控制器來控制該系統。主環回路為溫度調節系統，也選用標準PID控制器來控制該系統。

主調節器出的的信號不是直接調節溫度，而是作為副調節器的可變給定值，與燃料流量信號比較，再通過副調節器去控制電動閥動作，以調節燃料流量，保證焙燒爐出口溫度能較快的跟蹤設定值并最終保持在設定值附近不變。

(2)從動態特性的角度考慮，優化控制器性能與結構，提高系統的響應速度。在對控制系統進行設計時，盡量根據被控制對象選擇一組較為合適的控制器參數，提達到更好可控制效果。而通過對系統建立數學模型，根據模型特性，通過設定某種性能指標，在實現最優指標的前提下，對控制器參數進行尋優可謂是個好的優化控制器性能的辦法。對于串級控制系統來說，有兩個控制器，因此需要分別對兩個控制器的參數進行整定，整定的順序先調節副回路，待副回路調節達到要求后，在調節主回路。

(3)如果測量元件的延遲和慣性比較大，就不能及時反映溫度的變化，就會造成系統不穩定，影響控制質量。因此，在系統的儀表選型上盡量使用快速的測量元件，安裝在正確的位置，保證測量信號傳遞的快速性，減小延遲和慣性。

四、焙燒爐溫度回路對象模型的建立與驗證

建立數學模型的方法有許多種，像機理建模、系統辨識等。機理建模有較大的普遍性，但是多數工業過程的機理較為復雜，其數學模型很難建立，雖然在建模過程中作了一些具有一定實際依據的近似和假設，但是逼近不能完全反映過程的實際情況，有時甚至會帶來一些估計

4不到的影響。因此，在工程目前主要采用試驗建模一過程辨識和參數估計的方法。建模的方法我們采用響應曲線法，響應曲線法主要用于階躍響應曲線和矩形脈沖響應曲線。

圖3 階躍響應法 圖4 矩形脈沖響應法(1)階躍響應曲線的試驗測定：

將被控過程的輸入量作一階躍變化，同時記錄其輸出量隨時間而變化的曲線，則稱為階躍響應曲線。

階躍響應曲線能直觀，完全描述被控過程的動態特性。實驗測試方法易于實現，只要是閥門的開度作一階躍變化即可，實驗時必須注意：

(a)合理選擇階躍擾動量，既不能太大，以免影響正常生產，也不能太小，以防被控過程的不真實性。通常取階躍信號值為正常輸入信號的5％一15％，以不影響生產為準。(b)試驗應在相同的測試條件下重復做幾次，需獲得兩次以上的比較接近的相應曲線，減少干擾的影響。

(c)試驗應在階躍信號作正，反方向變化時分別測出其相應曲線，以檢驗被控過程的非線性程度。

(d)試驗前，即在輸入階躍信號前，被控過程必需處于穩定的工作狀態。在一次試驗完成后，必須是被控過程穩定一段時間后再施加測試信號作第二次試驗。

考慮到實際工程的方便，對主爐溫度控制我們采用階躍響應曲線試驗建模法。根據 控制理論來分析，設計或改進一個過程控制系統，只有過程的階躍響應曲線顯然是不夠的，還必須有階躍響應曲線來辨識被控過程數學模型，如微分方程、傳遞函數、頻率特性、差分方程等。在確定模型參數時，首先分析階躍響應曲線的形狀，選取一種模型結構，然后進行參數估計。由階躍響應曲線辨識數學模型的方法很多，一階慣性環節是一種常用的估計方法。

在過程輸入階躍信號x0的瞬時，其響應曲線的斜率最大，如圖5所示。

5圖5 階躍響應曲線

此時，其數學模型可用一階慣性環節來近似，即

w(s)??sK?1

式中參數K、?的求法如下：(1)過程的靜態放大系數

y(?)?y(0)x0K?(2)過程的時間常數

對于上式所示的過程模型，在階躍信號x0作用下的時間特性為：

y（t）?Kx0(1?e)

式中，K為過程的放大系數，可由上式可確定。

圖3．20描繪該方程的曲線圖，表明一階過程對輸入的突然變化不能瞬時做出響應。事實上，當時間間隔等于過程時間常數是（t??）過程響應應僅為完全值得63.2％。從利用上講，除了t??，過程輸出總不會達到新的穩態值；當（t?5?）時，相應近似為最終穩態值。

t??

五、設備及控制儀表的選型

（1）溫度變送器的選擇

選用JCJ100G溫度變送器，JCJ100G溫度變送器將熱電熱偶所測的溫度變化通過電路處理，經信號放大后轉化成標準的電壓或電流信號。信號可以供數字儀表、記錄儀、模擬調節器、DCS系統，廣泛用于工業生產過程檢測與控制系統。本溫度變送器采用優質電子器件，性能遠高于其他同類產品，物美價廉。（2）控制器選型

按照設計要求，本設計選用一個KSW-6-16型溫度控制器為1300℃電爐的配套設備，與鉑銠—鉑熱電偶配套使用，可對電爐內的溫度進行測量、顯示、控制，并可使爐膛內的溫度自動保持恒溫。以硅碳棒為加熱元件的高溫電阻爐，其加熱元件的冷態與熱態時的電阻值相差較大，在長期使用中硅碳棒的電阻值將逐漸變大。所以必須與調壓設備配套使用，KSW-6-16型號的溫度控制器具有溫度控制和電壓調節二種功能，該溫度控制器的溫度顯示有數字顯示

6和指針顯示二種，其中尤以固態繼電器為執行元件并配以數字顯示的控制器性能更為優越。結構及工作原理：溫度控制器的外殼由鋼板沖壓折制成型并采用鋁合金框架結構，外殼表面采用高強度的靜電噴涂，漆膜光滑牢固。控制器的前部裝有溫度控制儀表、電壓表、電流表和電源開關。控制器的內部裝有可控硅、線路板及螺旋保險和接線端子等電器元件。該溫度控制系統采用了優質電子集成元件，控溫靈敏、性能可靠、使用方便。

其工作原理：熱電偶將電爐內部的溫度轉換為毫伏電壓值，經過集成放大器的放大、比較后，輸出移相控制信號，有效地控制可控硅的導通角，進而控制硅碳棒的平均加熱功率，使爐膛內的溫度保持恒溫。（3）執行器的選擇

PID系統的執行機構為電動調節閥、排料閥。電動閥使用電機作動力，氣動閥使用壓縮空氣作動力，電動閥對液體介質和大管道徑氣體效果好，不受氣候影響，電動調節閥要求電動調節裝置和閥體間隙精密，能夠準確地控制閥門開度，閥芯則根據重油黏度系數選用V型半球閥，使其過油能夠連續通順，并使調節與開度盡量滿足線性關系。為了解決排料的連續性，選擇了氣動控制排料閥，執行機構為I／P定位器。I／P定位器是二位三通電磁閥。此裝置通過閥門開關來控制氣缸帶動活塞運動。（4）氣開氣關選擇

氣動調節閥氣開或者氣關，通常是通過執行機構的正反作用和調節閥結構的不同組裝方式實現。氣開氣關的選擇是根據工藝生產的安全角度出發來考慮的。在本設計中，沸騰焙燒爐的溫度控制，調節閥安裝在燃料氣管道上，根據爐膛的溫度或被加熱物料在加熱爐出口的溫度來控制燃料的供應。根據生產過程的工藝特點和安全要求，保證人身安全原則、系統與設備安全原則，保證產品的質量原則，減少原料和動力浪費原則，基于介質特點的工藝設備安全原則，本設計選用氣開閥更安全些，因為一旦氣源停止供給，閥門處于關閉比閥門處于全開更適合。如果氣源中斷，燃料閥全開，會使加熱過量發生危險。（5）調節器正負作用選擇

副調節器作用方式的選擇，確定副被控過程的Ko2，當調節閥開度增大，燃料量增大，爐膛溫度上升，所以 Ko2 >0。最后確定副調節器，為保證副回路是負反饋，各環節放大系數(即增益)乘積必須為正，所以副調節器 K 2>0，副調節器作用方式為反作用方式。主調節器作用方式的選擇，爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程 Ko1 > 0。為保證主回路為負反饋，各環節放大系數乘積必須為正，所以副調節器的放大系數 K 1> 0，主調節器作用方式為反作用方式。

六、溫度控制器PID參數整定及仿真

PID控制器的參數整定是控制系統設計的核心內容。它是根據被控過程的特性確定PID控制器的比例系數、積分時間和微分時間的大小。PID控制器參數整定的方法很多，概括起

7來有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。三種方法各有其特點，其共同點都是通過試驗，然后按照工程經驗公式對控制器參數進行整定。但無論采用哪一種方法所得到的控制器參數，都需要在實際運行中進行最后調整與完善。現在一般采用的是臨界比例法。利用該方法進行PID控制器參數的整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。

被控對象為一階傳遞函數

3.98W(s)??sK??111.15s?1

采樣時間為O.2秒，輸入指令為一階階躍信號。

溫度控制器PID參數整定方法，應用Matlab計算機語言編寫了算法PID參數程序，獲得優化參數。

整定后的PID控制階躍響應在Matlab環境下進行仿真，仿真控制程序如圖3．31所 示。

圖6 溫度PID控制的Simulink仿真程序

在仿真環境下焙燒爐設定1110℃，仿真曲線圖所示。

8圖7 溫度PID整定的階躍響應曲線

通過仿真曲線圖7可以看出通過PID參數能夠使焙燒爐溫度快速穩定準確的跟蹤設定值，上升時間大約為8s，調節時間約為10s，超調量小，基本達到控制要求。

七、總結

所設計的回路控制策略應用到現場，能夠滿足現場的控制要求，而且能夠提高產品的品質，實驗室整定的PID參數對現場控制器有很好的指導意義，提高了控制精度；為氧化鋁焙燒生產提供保障；減輕了現場工藝人員的工作強度，同時也能更加精確、嚴格的按照設定好的曲線烘爐，提高爐子內襯的使用壽命，為順利生產提供前提保障。總之，焙燒過程計算機控制系統成功的應用到實際工程中，滿足實際項目的工藝要求，降低了現場人員的工作量，節約了現場能量，提高了產品質量和產量。

參考文獻：

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第二篇：計算機控制課程設計(電阻爐溫度控制系統)

計算機控制課程設計

報告

設計題目： 電阻爐溫度控制系統設計 年級專業： 09級測控技術與儀器 姓 名 ：

武帆 學 號 ： P60914001 任課教師： 謝芳

電阻爐溫度控制系統設計

0.前言

隨著電子技術的發展，特別是隨著大規模集成電路的產生，給人們的生活帶來了根本性的變化，特別是微型計算機的出現使現代的科學研究得到了質的飛躍，利用單片機來改造落后的設備具有性價比高、提高設備的使用壽命、提高設備的自動化程度的特點。溫度是工業生產中主要的被控參數之一，與之相關的各種溫度控制系統廣泛應用于冶金、化工、機械、食品等領域。溫度控制是工業生產過程中經常遇到的過程控制，有些工藝過程對其溫度的控制效果直接影響著產品的質量。因而設計一種較為理想的溫度控制系統是非常有價值的。本設計就是利用單片機來控制高溫加熱爐的溫度，傳統的以普通雙向晶閘管（SCR）控制的高溫電加熱爐采用移相觸發電路改變晶閘管導通角的大小來調節輸出功率，達到自動控制電加熱爐溫度的目的。這種移相方式輸出一種非正弦波，實踐表明這種控制方式產生相當大的中頻干擾，并通過電網傳輸，給電力系統造成“公害”。采用固態繼電器控溫電路，通過單片機控制固態繼電器，其波形為完整的正弦波，是一種穩定、可靠、較先進的控制方法。為了降低成本和保證較高的控溫精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零點遷移、冷端補償功能的溫度變送器橋路，使實際測溫范圍縮小。

溫度控制系統屬于一階純滯后環節，具有大慣性、純滯后、非線性等特點，導致傳統控制方式超調大、調節時間長、控制精度低。采用單片機進行溫度控制，具有電路設計簡單、精度高、控制效果好等優點，對提高生產效率、促進科技進步等方面具有重要的現實意義隨著單片機技術的迅速興起與蓬勃發展，其穩定、安全、高效、經濟等優點十分突出，所以其應用也十分廣泛。單片機已經無處不在、與我們生活息息相關，并且滲透到生活的方方面面。

1.課程設計任務

項目設計：電阻爐溫度控制系統設計

以在工業領域中應用較為廣泛的電阻爐為被控對象，采用MCS—52單片機實現電阻爐溫度計算機控制系統的設計，介紹電阻爐溫度計算機控制系統的組成，并完成系統總體控制方案和達林算法控制器的設計，給出系統硬件原理框圖和軟件設計流程圖等。

1.1電阻爐組成及其加熱方式

電阻爐是工業爐的一種，是利用電流通過電熱體元件將電能轉化為熱能來加熱或者熔化元件或物料的熱加工設備。電阻爐由爐體、電氣控制系統和輔助系統組成，爐體由爐殼、加熱器、爐襯（包括隔熱屏）等部件組成。由于爐子的種類不同，因而所使用的燃料和加熱方法也不同;由于工藝不同，所要求的溫度高低不同，因而所采用的測溫元件和測溫方法也不同;產品工藝不同，對控溫精度要求不同，因而控制系統的組成也不相同。電氣控制系統包括主機與外圍電路、儀表顯示等。輔助系統通常指傳動系統、真空系統、冷卻系統等，因爐種的不同而各異。電阻爐的類型根據其熱量產生的方式不同，可分為間接加熱式和直接加熱式兩大類。間接加熱式電阻爐，就是在爐子內部有專用的電阻材料制作的加熱元件，電流通過加熱元件時產生熱量，再通過熱的傳導、對流、輻射而使放置在爐中的爐料被加熱。直接加熱式電阻爐，是將電源直接接在所需加熱的材料上，讓強大的電流直接流過所需加熱的材料，使材料本身發熱從而達到加熱的效果。工業電阻爐，大部分采用間接加熱式，只有一小部分采用直接加熱式。由于電阻爐具有熱效率高、熱量損失小、加熱方式簡單、溫度場分布 均勻、環保等優點，應用十分廣泛。1.2控制要求

本系統中所選用的加熱爐為間接加熱式電阻爐，控制要求為:（1）采用一臺主機控制8個同樣規格的電阻爐溫度;（2）電爐額定功率為20 kW;（3）恒溫正常工作溫度為1000℃，控溫精度為±1%;（4）電阻爐溫度按預定的規律變化，超調量應盡可能小，且具有良好的穩定性;（5）具有溫度、曲線自動顯示和打印功能，顯示精度為±1℃;（6）具有報警、參數設定、溫度曲線修改設置等功能。

二、系統總體設計

根據題目要求,電熱鍋爐溫度控制系統由核心處理模塊、溫度采集模塊、鍵盤顯示模塊、及控制執行模塊等組成。采用比較流行的AT89S52作為電路的控制核心,使用8位的模數轉換器AD0808進行數據轉換,控制電路部分采用PWM通過AC-SSR實現鍋爐溫度的連續控制,此方案電路簡單并且可以滿足題目中的各項要求的精度。系統總體框圖如下。

顯示電路熱電偶電阻爐變送器數據采集單片機越限報警

2.1核心處理模塊——單片機

該部分的功能不僅包括向溫度傳感器寫入各種控制命令、讀取溫度數據、數據處理，同時還要對執行單元進行控制。單片機是整個系統的控制核心及數據處理核心。

選擇單片機的理由：單片機的特點是體積較小，也就是其集成特性，其內部結構是普通計算機系統的簡化，增加一些外圍電路，就能夠組成一個完整的小系統，單片機具有很強的可擴展性。它具有和普通計算機類似的、強大的數據處理功能，通過使用一些科學的算法，可以獲得很強的數據處理能力。所以單片機在工業應用中，可以極大地提高工業設備的智能化、數據處理能力和處理效率，而且單片機無需占用很大的空間。

2.2溫度信號采集與傳感器

本部分的主要作用是用傳感器檢測模擬環境中的溫度信號，溫度傳感器上電流將隨環境溫度值線性變化。再把電流信號轉換成電壓信號，使用A/D轉換器將模擬電壓信號轉換成單片機能夠進行數據處理的數字電壓信號，本設計采用的是數字溫度傳感器，以上過程都在溫度傳感器內部完成。

2.3人機交互及串口通信

人機交換的目的是為了提高系統的可用性和實用性。主要包括按鍵輸入、輸出顯示。通過按鍵輸入完成系統參數設置，而輸出顯示則完成數據的顯示和系統提示信息的輸出，串口通信的主要功能是完成單片機與上位機的通信，便于進行溫度數據統計，為將來系統功能的擴展做好基礎工作。AC-SSR過零檢測光耦隔離鍵盤控制 2.4控制執行單元

是單片機的輸出控制執行部分，根據單片機數據處理的結果，驅動繼電器控制外部設備，可以達到超溫報警及升溫或者降溫目的，使環境溫度始終保持在一個范圍之內。

根據溫度變化慢,并且控制精度不易掌握的特點,我們設計了以AT89S52單片機為檢測控制中心的電熱鍋爐溫度自動控制系統。溫度控制采用改進的PID數字控制算法,顯示采用8位LED動態顯示。

三、硬件電路設計

硬件電路如圖所示：硬件系統主要由AT89S52單片機、溫度采集、A／D轉換、鍵盤顯示電路、報警等功能電路組成。

3.1、核心部分單片機

AT89S52單片機為主控制單元。AT89S52單片機首先根據爐溫的給定值和測量值計算出溫度偏差，然后進行PID控制并計算出相應的控制數據由P1．0口輸出。最后將P1．0口輸出的控制數據送往光電耦合隔離器的輸入端，利用PWM脈沖調制技術調整占空比，達到使爐溫控制在某一設定溫度。AT89S52單片機還負責按鍵處理、溫度顯示以及與上位機進行通信等工作。4位高亮度LED用于顯示設定溫度或實測溫度。3.2、溫度采集轉換模塊

溫度采集電路主要由鉑銠-鉑熱電偶LB-3。LB-3熱電偶可以在1300℃高溫下長時間工作，滿足常規處理工藝要求。測溫時，熱電阻輸出mV熱電勢，必須經過變送器變換成0-5V的標準信號。本系統選用DWB型溫度變送器，并將其直接安裝在熱電偶的接線盒內，構成一體化的溫度變送器，不僅可以節省補償導線，而且可以減少溫度信號在傳遞過程中產生的失真和干擾。電阻爐爐溫信號是一種變換緩慢的信號。這種信號在進行A/D轉換時，對轉換速度要求不高。因此為了減低成本以及方便選材，可以選用廉價的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入、8為數字輸出地A/D轉換器件，轉換時間為100us，完全滿足系統設計的要求。經過ADC0809轉換所得到的實測爐溫數據直接送入AT89S52單片機中進行數據處理。

此外，為了防止斷偶或者爐溫越限，產生熱處理質量事故；同時為了提高溫控系統的智能化控制性能，降低熱處理操作人員的勞動強度，本系統特別設置了斷偶或爐溫越限自動報警電路。在熱處理生產過程中，當發生斷偶或爐溫越限等異常現象時，主控單元AT89S52單片機自動啟動報警電路進行聲、光報警，以便操作人員快速處理，防止爐內工件過熱，破壞金屬組織結構。

3.3、AC—SSR交流功率調節電路

由輸出來控制電爐,電爐可以近似建立為具有滯后性質的一階慣性環節數學模型。其傳遞函數形式為：

其中時間常數T=350秒，放大系數K=50，滯后時間t=10秒。為了避免交流接觸器等機械觸電因頻繁通斷產生電弧，燒壞觸電或者干擾其他設備正常工作，本系統選用AC-SSR交流功率調節器作為PID控制系統的執行機構。AT89S52單片機P1.0口輸出的溫度控制信號經過光電耦合器件隔離，送至過零檢測電路。過零檢測電路產生脈沖控制AC-SSR調功電路。當實測溫度偏低時，單片機輸出的控制信號使得雙向可控硅的導通角減小，導通時間變短，加熱器功率降低爐溫適當降低。通過控制輸入到加熱器平均功率的大小達到控制電阻爐爐溫的目的。

控制執行部分的硬件電路如下圖

3.4鍵盤模塊電路

采用4×4矩陣鍵盤接單片機的P1口，然后實現對設定溫度的修改，將它與實際溫度進行對比，實現要求的功能。矩陣鍵盤如下圖3所示：

3.5 A/D轉換電路

如圖所示：

3.6 變送電路

3.6.1、4~20mA變送器XTR101 XTR101為4~20mA線性化變送器，它可與鎳絡-鎳硅測溫傳感器構成精密的T/I變換。器件中的放大器適合很寬的測溫范圍，在-40℃~+85℃的工作溫度內，傳送電流的總誤差不超過1%，供電電源可以從11.6V到40V,輸入失調電壓<±2.5mV，輸入失調電流<20nA。XTR101外形采用標準的14腳DIP封裝。XTR101有如下兩種應用于轉換溫度信號的典型電路：

3.6.2、I/V轉換器RCV420 RCV420是一種精密電流/電壓變換器，它能將4~20mA的環路電流變為0~5V的電壓輸出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密運放和電阻網絡外，還集成有10V基準電源。對環路電流由很好的變換能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作溫度范圍，輸入失調電壓<1mA，總的變換誤差<0.1%，電源電壓范圍±5~±18V。RCV420的外形采用標準的16腳DIP封裝。它的典型應用如下：

四、系統軟件設計

系統的軟件由三大模塊組成：主程序模塊、功能實現模塊和運算控制模塊。

4.1 主程序模塊

開始初始化計時器初始化PID參數A/D采樣以及變換Y判斷越限報警N顯示當前溫度和設定溫度報警開啟設置PWM的占空比

主程序流程圖

4.2 功能實現模塊

以用來執行對可控硅及電爐的控制。功能實現模塊主要由A／D轉換子程序、中斷處理子程序、鍵盤處理子程序、顯示子程序等部分組成。

4.2.1T0中斷子程序

該中斷是單片機內部100ms定時中斷,優先級設為最高,是最重要的子程序。在該中斷響應中,單片機要完成調用PID算法子程序且輸出PID計算結果等功能。其流程圖如下:

進入中斷設置定時器寄存器判斷標志位是否為1NY標志位置0計算PID子模塊標志位加1中斷返回 T0中斷子程序

4.2.2 T1中斷子程序

T1定時中斷用于調制PWM信號，優先級低于T 0中斷,其定時初值由PID算法子程序提供的輸出轉化而來，T1中斷響應的時間用于輸出控制信號。其流程圖如下:

進入中斷取反標志位,表示該輸出高電平或低電平輸出高電平?Y設置高電平脈寬N輸出口置高電平設置低電平脈寬Y輸出低電平?N輸出口置低電平中斷返回 T1中斷子程序

4.3運算控制模塊

運算控制模塊涉及標度轉換、PID算法、以及該算法調用到的乘法子程序等。

4.3.1標度轉換子程序

該子程序作用是將溫度信號(00H~FFH)轉換為對應的溫度值,以便送顯示或與設定值在相同量綱下進行比較。所用線形標度變換公式為：

式中,Ax： 實際測量的溫度值;Nx：經過A／D轉換的溫度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

單片機運算采用定點數運算，并且在高溫區和低溫區分別用程序作矯正處理。

4.4 控制算法：PID算法

積分分離控制的基本思路是：當偏差e(k)絕對值較大時。取消積分作用，以免由于積分作用使系統穩定性降低，超調量增大；當偏差e(k)絕對值小于某一設定值M時，引入積分控制，以便消除靜差，提高控制精度，PID算法的表達式為：

u(t)?Kp[e(t)?式中u(t)：調節器的輸出信號；

e(t)：偏差信號；

1TI?t0e(t)dt?TDde(t)]dt

Kp：調節器的比例系數；

TI：調節器的積分時間； TD：調節器的微分時間。

在計算機控制中，為實現數字控制，必須對上式進行離散化處理。用數字形式的差分方程代替連續系統的微分方程。設系統的采樣周期為T，在t=kT時刻進行采樣，?e(t)dt??Te(i)0i?0tk

式中e(k)：根據本次采樣值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采樣所得到的偏差。將上面的三個式子代入，則有

de(t)e(k)?e（k?1)?dtT

Tu（k）?Kp[e（k）?TI?T?e（i）i?0kkDe（k）?e（k?1）]T?Kpe（k）??ki?e（i）?kdi?0e（k）?e（k?1）T

式中，T為采樣時間，?項為積分項的開關系數

????0??1e(k)??e(k)??

積分分離PID控制算法程序流程圖如圖10所示。

開始參數初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)

積分分離PID控制算法程序流程圖

參考文獻

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[9]劉洪恩.利用熱電偶轉換器的單片機溫度測控系統[J]儀表技術,2005.2: 29-30。[10]孫凱, 李元科.電阻爐溫度控制系統[J].傳感器技術,2003.2:50-52.。

附錄

主程序

ORG 0400H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH,A MOV 30H,A MOV 3BH,A MOV 3CH,A MOV 3DH,A MOV 3EH,A MOV 44H,A MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A MOV DISM4,A MOV DISM5,A MOV TMOD,#56H MOV TL0,#06H MOV TH0,06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP:ACALL DISPLY ACALL SCAN AJMP LOOP

50H送SP

A

清暫存單元

清顯示緩沖區

T0為計數器方式2，T1為方式1

T0賦初值

T0為低中斷優先級 T0工作 T0中斷 CPU中斷

；；清本次越限標志；清上次越限標志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；設；；；令；啟動；允許；開；調用顯示程序；調用掃描程序；等待中斷T0中斷服務程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保護現場 PUSH DPH ；

SETB D5H ；置標志

ACALL SAMP ；調用采樣子程序 ACALL FILTER ；調用數字濾波程序

CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，則TPL WL: MOV C,5EH ；

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH單元 ACALL UPL ；轉上限處理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中斷返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，則TPL1 CLR 5FH ；清上次越限標志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，則MTPL HAT: SETB P1.1 ；若溫度不越限則令綠燈亮 ACALL PID ；調用計算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ； 對PID值求補，作為TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3輸出高電平脈沖 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1賦初值 SETB PT1 ；T1高優先級中斷 SETB TR1 ；啟動T1 SETB ET1 ；允許T1中斷

ACALL TRAST ；調用標度轉換程序 LOOP: ACALL DISPLY ； 顯示溫度 JB D5H,LOOP ；等待T1中斷 POP DPH ；

POP DPL ； 恢復現場 POP ACC ；

RETI ；中斷返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，則HAT SETB P1.0 ；否則越下限聲光報警 MOV A,45H ；取PID最大值輸出 CPL A ；

INC A ； 對PID值求補，作為TL1 AJMP NM ；轉NM執行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，則5EH單元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，則轉WL INC 44H ；越限計數器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，則WL SETB P1.2 ；否則，越上限聲光報警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中斷服務程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

； 清越限標志 ；

； 恢復現場 ；

；中斷返回

p1.3變為低電平；中斷返回 ；清標志；令

第三篇：氧化鋁循環沸騰焙燒爐耐火材料的應用

氧化鋁循環沸騰焙燒爐耐火材料的應用

中鋁山東分公司為提高氧化鋁生產工藝和技術裝備水平，從德國盧奇公司引進一套產能為1600t／d氧化鋁工藝技術及自動化水平高的流態化循環沸騰焙燒爐。1997年9月點火烘爐、投運。隨后安裝的一套于2001年11月點火。此套裝置所用的耐火材料內襯為硅酸鈣板、輕質澆注料、耐火澆注料、耐火粘土磚和耐火纖維及錨固件。

一、氧化鋁循環沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

1、氧化鋁循環沸騰焙燒爐的組成氧化鋁循環沸騰焙燒爐用來焙燒氫氧化鋁，由圓錐形旋風筒、文丘里烘干器、沸騰焙燒爐、喂料螺旋、流態化冷卻機、循環床、卸料槽、下料管及風管和煙道組成。設備形狀基本為圓筒形，最大設備外徑5.8m，高度32m，設備外殼由鋼板焊制，內襯采用不定形耐火材料、耐火磚、硅酸鈣板及耐火纖維組成，并有錨固件聯接固定，整個裝置各個設備之間相互聯接，構成一個密封的、整體性較強的結構裝置。

2、氧化鋁沸騰焙燒爐用耐火材料的選擇

本裝置最高爐溫約1100℃，最高壓力約12.5kPa，最高流速48.5m／s，焙燒時間約30min，即整個焙燒過程在高速、高溫下完成。由于所處理的氧化鋁物料硬度較大，流動性好，對氧化鋁產品質量的要求嚴格，任何內襯雜質的混入都直接影響產品的性能，因此，要求耐火材料必須滿足下列條件：耐高溫、耐磨損、高強度、熱穩定性能好，整體性及密封性強。

在選用國產代用耐火材料時，應遵循三條原則：①保證所選各種耐火材料的理化指標滿足盧奇公司的要求；②保證所選耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火燒注料；③所選耐火材料必須經過實踐驗證。根據這三條原則，經對國內十幾家有實力的耐火材料生產廠家進行實地考察、比較篩選后，最終選擇了6家耐火材料廠，經過與國外耐火材料的各項性能指標進行對比，所選用的國內耐火材料和盧奇公司的耐火材料性能指標接近，有些性能指標甚至超過了國外指標（見表1）。

二、氧化鋁循環沸騰焙燒爐耐火材料的應用

循環沸騰焙燒爐整個裝置所用耐火材料共計762t，主要有澆注料、耐火磚、硅酸鈣板、硅酸鋁纖維和耐火泥五大類，以及固定耐火材料的錨固件。

1、工作層用耐火材料耐火澆注料共計351t，用于一級文丘里、冷卻旋風筒、流化床冷卻機、所有管道、煙道及沸騰焙燒爐下部和旋風筒的錐體部分，多為雙層或三層。

耐火磚共用269t，主要用在沸騰焙燒爐、循環旋風筒、二級旋風分離器、二級文丘里干燥器以及煙道等。

根據沸騰焙燒爐的工藝特點和不同的工藝參數及工況條件，工作層所用耐火材料的種類及層數不同。根據使用溫度、物料性質，所有工藝管道進行輕質和重質澆注的配置，主要設備內襯采用絕熱＋隔熱＋耐火磚的工作層配置，使耐火材料節能效果更好。

2、隔熱耐火材料隔熱耐火材料有輕質澆注料、輕質隔熱磚、硅酸鈣板和耐火纖維。

澆注料主要用在流化床冷卻機、冷卻旋風筒、一級文丘里干燥器及二級文丘里干燥器等主要設備的頂部和所有管道和煙道里面。

保溫磚保溫磚共用41.76t，主要用在流化床冷卻機、一級文丘里干燥器和二級旋風分離器。

硅酸鈣板硅酸鈣板共用97.5m3，有50mm厚和30mm厚兩種規格，主要用在沸騰焙燒爐、循環旋風筒、冷卻旋風筒及一級文丘里干燥器等。

耐火纖維耐火纖維共用2.5t，分為板類、氈類和毯類，主要用在膨脹縫、伸縮節、支架和入孔以及各種工藝孔周圍。

錨固件錨固件是內襯的主要組成部分，其作用是使內襯與爐壁牢固地結合。

錨固件的分布與爐溫、耐火材料的性質、爐襯厚度、使用部位和所選用的錨固件形狀及材料有關，有15種類型、40種規格，重量約3000kg的錨固件系統對爐襯的應力分布及熱脹冷縮熱應力的均衡、延長爐襯壽命，起至關重要的作用。

三、效果及存在的問題

1、效果與啟示①該爐子在耐火材料使用中注重隔熱材料的使用，在高溫設備沸騰焙燒爐和循環旋風筒上均采用五層耐火材料，四層隔熱材料，保溫效果很好。盡管爐子內部溫度高達1100℃，但爐體外表溫度僅為70℃左右。其它部位均有二層或三層隔熱材料，故爐子整體熱效率很高。

②不同設備、不同工況條件，選用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比較經濟、合理，對今后耐火材料的選用有一定的啟示。

③不同爐溫、不同耐火材質、不同爐襯厚度、不同使用部位，所用錨固件的形狀、分布及材質不同。

5沸騰焙燒爐、循環旋風筒、二級旋風分離器、二級文丘里等拱頂采用異型磚逐環砌筑，環與環之間子母相扣，保障了球形拱頂的整體性能。解決了澆注料施工麻煩、養護時間長、損毀后難修補的問題。

2、存在問題在不到3年的應用中，沸騰焙燒爐內因二級文丘里干燥器、煙道等處紅爐，曾停爐檢修4次，原因有以下幾點。

結構不合理二級文丘里到二級旋風筒的通道高2.5m，寬1.7m，磚厚僅為180mm，且分兩層（65mm和115mm），盡管設置有錨固件，但仍顯不穩，使用不到一年即掉磚。遂在大修時進行改進，保持內表面積不變，高度不變，外殼加寬115mm，耐火磚加厚115mm，改為65mm保溫磚和230mm耐火磚。改后的運行效果較好。

磚縫及膨脹縫較大此爐設計的耐火磚在位置高度上一般每間隔3.5m留有25mm的臌脹縫，根據我國耐火材料的線變化，在1450℃、保溫2h，線收縮一般為＋0～－0.2％，熱膨脹系數300～400℃時為0.1％，故25mm的膨脹縫過大。停爐時透過所有膨脹縫可看到外層鋼板。故根據理論要求，膨脹縫留7～8mm。

二級文丘里、二級旋風筒及連接過道的耐火磚強度低，不耐磨

開爐2年多以來，二級旋風筒的耐火磚由厚115mm磨損至局部僅為20mm，二級文丘里的耐火磚磨損僅為70mm左右，連接過道耐火磚已更換兩次，此處所選磚的強度只為34MPa，說明此處的耐火磚不符合工藝要求。此外氣流流速大，氧化鋁對其的沖刷嚴格，應使用高強耐磨磚，因此在高鋁質骨料中添加耐磨骨料，以增強耐火磚的耐磨性。耐磨骨料如剛玉、板狀剛玉等都具有高耐火度、蠕變小、高密度、熱震穩定性好、耐磨性好等優點，在該部位試用高強度耐磨磚，可顯著提高內襯的使用壽命。

澆注料之間施工縫隙過大沸騰焙燒爐與循環旋風筒之間的過道頂部為三層澆注料、兩層保溫澆注料、一層耐火澆注料，錨固件為ST－20－21型，由于施工縫隙過大，氧化鋁穿過施工縫沖刷錨固件，導致錨固件斷裂，澆注料脫落，影響生產。采用的措施包括增強錨固件的焊接強度，改進施工工藝；減少保溫澆注料厚度，過道兩端全部改為耐火澆注料，減少施工縫等

第四篇：溫度傳感器課程設計

溫度傳感器簡單電路的集成設計

當選擇一個溫度傳感器的時候，將不再限制在模擬輸出或數字輸出裝置。與你系統需要相匹配的傳感器類型現在又很大的選擇空間。市場上供應的所有溫度感應器都是模擬輸出。熱電阻，RTDs和熱電偶是另一種輸出裝置，矽溫度感應器。在多數的應用中，這些模擬輸出裝置在有效輸出時需要一個比較器，ADC，或一個擴音器。因此，當更高技術的集成變成可能的時候，有數字接口的溫度傳感器變成現實。這些集成電路被以多種形式出售，從超過特定的溫度時才有信號簡單裝置，到那些報告遠的局部溫度提供警告的裝置。現在不只是在模擬輸出和數字輸出傳感器之間選擇，還有那些應該與你的系統需要相匹配的更廣闊的感應器類型的選擇，溫度傳感器的類型：

圖一：傳感器和集成電路制造商提供的四中溫度傳感器

在圖一中舉例說明四種溫度感應器類型。一個理想模擬傳感器提供一個完全線性的功能輸出電壓（A）。在傳感器（B）的數字I/O類中，溫度數據通常通過一個串行總線傳給微控制器。沿著相同的總線，數據由溫度傳感器傳到微控制器，通常設定溫度界限在引腳得數字輸出將下降的時候。當超過溫度界限的時候，報警中斷微控制器。這個類型的裝置也提供風扇控制。

模擬輸出溫度傳感器：

圖2 熱阻和矽溫度傳感器這兩個模擬輸出溫度探測器的比較。

熱電阻和矽溫度傳感器被廣泛地使用在模擬輸出溫度感應器上。圖2清楚地顯示當電壓和溫度之間為線性關系時，矽溫度傳感器比熱阻體好的多。在狹窄的溫度范圍之內，熱電阻能提供合理的線性和好的敏感特性。許多構成原始電路的熱電阻已經被矽溫度感應器代替。

矽溫度傳感器有不同的輸出刻度和組合。例如，與絕對溫度成比例的輸出轉換功能，還有其他與攝氏溫度和華氏溫度成比例。攝氏溫度部份提供一種組合以便溫度能被單端補給得傳感器檢測。

在最大多數的應用中，這些裝置的輸出被裝入一個比較器或A/D轉換器，把溫度數據轉換成一個數字格式。這些附加的裝置，熱電阻和矽溫度傳感器繼續被利用是由于在許多情況下它的成本低和使用方便。數字I/O溫度傳感器： 大約在五年前，一種新類型溫度傳感器出現了。這種裝置包括一個允許與微控制器通信的數字接口。接口通常是12C或SMBus序列總線，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。閱讀微控制器的溫度報告，接口也接受來自溫控制器的指令。那些指令通常是溫度極限，如果超過，將中斷微控制器的溫度傳感器集成電路上的數字信號。微控制器然后能夠調整風扇速度或減慢微處理器的速度，例如，保持溫度在控制之下。

圖3：設計的溫度傳感器可遙測處理器芯片上的p-n結溫度

圖4。溫度傳感器可檢測它自己的溫度和遙測四個p-n結溫度。

圖5。風扇控制器/溫度傳感器集成電路也可使用PWM或一個線性模式的控制方案。

在圖4中畫是一個類似的裝置：而不是檢測一個p-n結溫度，它檢測四個結和它的自己內部的溫度。因此內部溫度接近周圍溫度。周圍溫度的測量給出關于系統風扇是否正在適當地工作的指示。

在圖5中顯示，控制風扇是在遙測溫度時集成電路的主要功能。這個部分的使用能在風扇控制的二個不同的模式之間選擇。在PWM模式中，微處理控制風扇速度是通過改變送給風扇的信號周期者測量溫度一種功能。它允許電力消耗遠少于這個部分的線性模式控制所提供的。因為某些風扇在PWM信號控制它的頻率下發出一種聽得見的聲音，這種線性模式可能是有利的，但是需要較高功率的消耗和附加的電路。額外的功耗是整個系統功耗的一小部分。

當溫度超出指定界限的時候，這個集成電路提供中斷微控制器的警告信號。這個被叫做過熱溫度的信號形式里，安全特征也被提供。如果溫度升到一個危險級別的時候溫控制器或軟件鎖上，警告信號就不再有用。然而，溫度經由SMBus升高到一個水平，過熱在沒有微控制器被使用去控制電路。因此，在這個非邏輯控制器高溫中，過熱能被直接用去關閉這個系統電源，沒有為控制器和阻力潛在的災難性故障。

裝置的這個數字I/O普遍使用在服務器，電池組和硬盤磁碟機上。為了增加服務器的可靠性溫度在很多的位置中被檢測：在主板（本質上是在底盤內部的周圍溫度），在處理器鋼模之內，和在其它發熱元件例如圖形加速器和硬盤驅動器。出于安全原因電池組結合溫度傳感器和使其最優化已達到電池最大壽命。

檢測依靠中心馬達的速度和周圍溫度的硬盤驅動器的溫度有兩個號的理由：在驅動器中讀取錯誤增加溫度極限。而且硬盤的MTBF大大改善溫度控制。通過測量系統里面溫度，就能控制馬達速度將可靠性和性能最佳化。驅動器也能被關閉。在高端系統中，警告能為系統管理員指出溫度極限或數據可能丟失的狀況。

圖6。溫度超過某一界限的時候，集成電路信號能報警和進行簡單的ON/OFF風扇控制。

圖7.熱控制電路部分在絕對溫標形式下，頻率與被測溫度成比例的產生方波的溫度傳感器

圖8。這個溫度傳感器傳送它的周期與被測溫度成比例的方波，因為只發送溫度數據需要一條單一線，就需要單一光絕緣體隔離信道。

模擬正溫度感應器

“模擬正量”傳感器通常匹配比較簡單的測量應用軟件。這些集成電路產生邏輯輸出量來自被測溫度，而且區別于數字輸入/輸出傳感器。因為他們在一條單線上輸出數據，與串行總線相對。

在一個模擬正量傳感器的最簡單例子中，當特定的溫度被超過的時候，邏輯輸出出錯：其它，是當溫度降到一個溫度極限的時候。當其它傳感器有確定的極限的時候，這些傳感器中的一些允許使用電阻去校正溫度極限。

在圖6中，裝置顯示購買一個特定的內在溫度極限。這三個電路舉例說明這個類型裝置的使用：提供警告，關閉儀器，或打開風扇。

當需要讀實際溫度時，微控制器是可以利用的，在單線上傳送數據的傳感器可能是有用的。用微處理器的內部計數器，來自于這個類型溫度感應器的信號很容易地被轉換成溫度的測量。圖7傳感器輸出頻率與周圍溫度成比例的方波。在圖8中的裝置是相似的，但是方波周期是與周圍溫度成比例的。

圖9。用一條公共線與8個溫度傳感器連接的微控制器，而且從同一條線上接收每個傳感器傳送的溫度數據。

圖9，在這條公共線上允許連接達到八個溫度傳感器。當微控制器的I/O端口同時關閉這根線上的所有傳感器的時候，開始提取來自這些傳感器的溫度數據。微控制器很快地重新裝載接收來的每個傳感器的數據，在傳感器關閉期間，數據被編碼。在特定時間內每個傳感器對閘口脈沖之后的時間編碼。分配給每個感應器自己允許的時間范圍，這樣就避免沖突。

通過這個方法達到的準確性令人驚訝：0.8 是典型的室溫，正好與被傳送方波頻率的電路相匹配，同樣適用于方波周期的裝置。

這些裝置在有線電線應用中同樣顯著。舉例來說，當一個溫度傳感器被微控制器隔離的時候，成本被保持在一個最小量，因為只需要一個光絕緣體。這些傳感器在汽車制造HVAC應用中也是很有效，因為他們減少銅的損耗數量。溫度傳感器的發展：

集成電路溫度傳感器提供各式各樣的功能和接口。同樣地這些裝置繼續發展，系統設計師將會看見更多特殊應用就像傳感器與系統接口連接的新方式一樣。最后，在相同的鋼模區域內集成更多的電子元件，芯片設計師的能力將確保溫度傳感器很快將會包括新的功能和特殊接口。

總結

通過這些天的查找資料，我了解了很多關于溫度傳感器方面的知識。我的大家都知道溫度的一些基本知識，溫度是一個基本的物理量，自然界中的一切過程無不與溫度密切相關。利用溫度所創造出來的傳感器即溫度傳感器是最早開發，應用最廣的一類傳感器。并且從資料中顯示溫度傳感器的市場份額大大超過了其他的傳感器。從17世紀初人們開始利用溫度進行測量。在半導體技術的支持下，在本世紀相繼開發了半導體熱電偶傳感器、PN結溫度傳感器和集成溫度傳感器。與之相應，根據波與物質的相互作用規律，相繼開發了聲學溫度傳感器、紅外傳感器和微波傳感器。

這些天,我通過許多的資料了解到兩種不同材質的導體，如在某點互相連接在一起，對這個連接點加熱，在它們不加熱的部位就會出現電位差。這個電位差的數值與不加熱部位測量點的溫度有關，和這兩種導體的材質有關。這種現象可以在很寬的溫度范圍內出現，如果精確測量這個電位差，再測出不加熱部位的環境溫度，就可以準確知道加熱點的溫度。由于它必須有兩種不同材質的導體，所以稱它為“熱電偶”。我查找的資料顯示數據:不同材質做出的熱電偶使用于不同的溫度范圍，它們的靈敏度也各不相同。熱電偶的靈敏度是指加熱點溫度變化1℃時，輸出電位差的變化量。對于大多數金屬材料支撐的熱電偶而言，這個數值大約在5～40微伏／℃之間。

熱電偶傳感器有自己的優點和缺陷，它靈敏度比較低，容易受到環境干擾信號的影響，也容易受到前置放大器溫度漂移的影響，因此不適合測量微小的溫度變化。由于熱電偶溫度傳感器的靈敏度與材料的粗細無關，用非常細的材料也能夠做成溫度傳感器。也由于制作熱電偶的金屬材料具有很好的延展性，這種細微的測溫元件有極高的響應速度，可以測量快速變化的過程。溫度傳感器是五花八門的各種傳感器中最為常用的一種，現代的溫度傳感器外形非常得小，這樣更加讓它廣泛應用在生產實踐的各個領域中，也為我們的生活提供了無數的便利和功能。

溫度傳感器有四種主要類型：熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數字輸出兩種類型。接觸式溫度傳感器的檢測部分與被測對象有良好的接觸，又稱溫度計。溫度計通過傳導或對流達到熱平衡，從而使溫度計的示值能直接表示被測對象的溫度。一般測量精度較高。在一定的測溫范圍內，溫度計也可測量物體內部的溫度分布。但對于運動體、小目標或熱容量很小的對象則會產生較大的測量誤差，常用的溫度計有雙金屬溫度計、玻璃液體溫度計、壓力式溫度計、電阻溫度計、熱敏電阻和溫差電偶等。它們廣泛應用于工業、農業、商業等部門。在日常生活中人們也常常使用這些溫度計。隨著低溫技術在國防工程、空間技術、冶金、電子、食品、醫藥和石油化工等部門的廣泛應用和超導技術的研究，測量120K以下溫度的低溫溫度計得到了發展，如低溫氣體溫度計、蒸汽壓溫度計、聲學溫度計、順磁鹽溫度計、量子溫度計、低溫熱電阻和低溫溫差電偶等。低溫溫度計要求感溫元件體積小、準確度高、復現性和穩定性好。利用多孔高硅氧玻璃滲碳燒結而成的滲碳玻璃熱電阻就是低溫溫度計的一種感溫元件，可用于測量1.6～300K范圍內的溫度。

非接觸式溫度傳感器的敏感元件與被測對象互不接觸，又稱非接觸式測溫儀表。這種儀表可以用來測量運動物體、小目標還有熱容量小或溫度變化迅速（瞬變）對象的表面溫度，也可以用于測量溫度場的溫度分布。資料顯示，最常用的非接觸式測溫儀表基于黑體輻射的基本定律，稱為輻射測溫儀表。輻射測溫法包括亮度法、輻射法和比色法。各類輻射測溫方法只能測出對應的光度溫度、輻射溫度或比色溫度。只有對黑體所測溫度才是真實溫度。如果想測定物體的真實溫度，就必須進行材料表面發射率的修正。而材料表面發射率不僅取絕于溫度和波長，而且還與表面狀態、涂膜和微觀組織等有關連，因此很難精確測量。在自動化生產中我發現往往需要利用輻射測溫法來測量或控制某些物體的表面溫度，如冶金中的鋼帶軋制溫度、軋輥溫度、鍛件溫度和各種熔融金屬在冶煉爐或坩堝中的溫度。在這些具體情況下，物體表面發射率的測量是相當困難的。對于固體表面溫度自動測量和控制，可以采用附加的反射鏡使與被測表面一起組成黑體空腔。附加輻射的影響能提高被測表面的有效輻射和有效發射系數。利用有效發射系數通過儀表對實測溫度進行相應的修正，最終可得到被測表面的真實溫度。最為典型的附加反射鏡是半球反射鏡。球中心附近被測表面的漫射輻射能受半球鏡反射回到表面而形成附加輻射，這樣才能提高有效發射系數。至于氣體和液體介質真實溫度的輻射測量，則可以用插入耐熱材料管至一定深度以形成黑體空腔的方法。通過計算求出與介質達到熱平衡后的圓筒空腔的有效發射系數。在自動測量和控制中就可以用此值對所測腔底溫度（即是介質溫度）進行修正而得到介質的真實溫度。現在，我通過這些天的努力，了解了很多溫度傳感器及其相關的一些傳感器的知識。他們在我們生活中的應用及其廣泛，我們只有加緊的學習加緊的完成自己所學專業的知識，了解相關的最新信息，我們才能跟上科技前進的步伐。

參考文獻：

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第五篇：氧化鋁循環沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

氧化鋁循環沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

中鋁山東分公司為提高氧化鋁生產工藝和技術裝備水平，從德國盧奇公司引進一套產能為１６００ｔ／ｄ氧化鋁工藝技術及自動化水平高的流態化循環沸騰焙燒爐。１９９７年９月點火烘爐、投運。隨后安裝的一套于２００１年１１月點火。此套裝置所用的耐火材料內襯為硅酸鈣板、輕質澆注料、耐火澆注料、耐火粘土磚和耐火纖維及錨固件。

一、氧化鋁循環沸騰焙燒爐及其耐火材料的選擇

１、氧化鋁循環沸騰焙燒爐的組成

氧化鋁循環沸騰焙燒爐用來焙燒氫氧化鋁，由圓錐形旋風筒、文丘里烘干器、沸騰焙燒爐、喂料螺旋、流態化冷卻機、循環床、卸料槽、下料管及風管和煙道組成。設備形狀基本為圓筒形，最大設備外徑５．８ｍ，高度３２ｍ，設備外殼由鋼板焊制，內襯采用不定形耐火材料、耐火磚、硅酸鈣板及耐火纖維組成，并有錨固件聯接固定，整個裝置各個設備之間相互聯接，構成一個密封的、整體性較強的結構裝

置。

２、氧化鋁沸騰焙燒爐用耐火材料的選擇

本裝置最高爐溫約１１００℃，最高壓力約１２．５ｋＰａ，最高流速４８．５ｍ／ｓ，焙燒時間約３０ｍｉｎ，即整個焙燒過程在高速、高溫下完成。由于所處理的氧化鋁物料硬度較大，流動性好，對氧化鋁產品質量的要求嚴格，任何內襯雜質的混入都直接影響產品的性能，因此，要求耐火材料必須滿足下列條件：耐高溫、耐磨損、高強度、熱穩定性能好，整體性及密封性強。

在選用國產代用耐火材料時，應遵循三條原則：①保證所選各種耐火材料的理化指標滿足盧奇公司的要求；②保證所選耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火燒注料；③所選耐火材料必須經過實踐驗證。根據這三條原則，經對國內十幾家有實力的耐火材料生產廠家進行實地考察、比較篩選后，最終選擇了６家耐火材料廠，經過與國外耐火材料的各項性能指標進行對比，所選用的國內耐火材料和盧奇公司的耐火材料性能指標接近，有些性能指標甚至超過了國外指標

（見表１）。

二、氧化鋁循環沸騰焙燒爐耐火材料的應用

循環沸騰焙燒爐整個裝置所用耐火材料共計７６２ｔ，主要有澆注料、耐火磚、硅酸鈣板、硅酸鋁纖維和耐火泥五大類，以及固定耐火材料的錨固件。

１、工作層用耐火材料

耐火澆注料共計３５１ｔ，用于一級文丘里、冷卻旋風筒、流化床冷卻機、所有管道、煙道及沸騰焙燒爐下部和旋風筒的錐體部分，多為雙層或三層。

耐火磚共用２６９ｔ，主要用在沸騰焙燒爐、循環旋風筒、二級旋風分離器、二級文丘里干燥器以及煙道等。

根據沸騰焙燒爐的工藝特點和不同的工藝參數及工況條件，工作層所用耐火材料的種類及層數不同。根據使用溫度、物料性質，所有工藝管道進行輕質和重質澆注的配置，主要設備內襯采用絕熱＋隔熱＋耐火磚的工作層配置，使耐

火材料節能效果更好。

２、隔熱耐火材料

隔熱耐火材料有輕質澆注料、輕質隔熱磚、硅酸鈣板和

耐火纖維。

澆注料

主要用在流化床冷卻機、冷卻旋風筒、一級文丘里干燥器及二級文丘里干燥器等主要設備的頂部和所有管道和煙

道里面。

保溫磚

保溫磚共用４１．７６ｔ，主要用在流化床冷卻機、一級文丘里干燥器和二級旋風分離器。

硅酸鈣板

硅酸鈣板共用９７．５ｍ３，有５０ｍｍ厚和３０ｍｍ厚兩種規格，主要用在沸騰焙燒爐、循環旋風筒、冷卻旋風

筒及一級文丘里干燥器等。

耐火纖維

耐火纖維共用２．５ｔ，分為板類、氈類和毯類，主要用在膨脹縫、伸縮節、支架和入孔以及各種工藝孔周圍。

錨固件

錨固件是內襯的主要組成部分，其作用是使內襯與爐壁

牢固地結合。

錨固件的分布與爐溫、耐火材料的性質、爐襯厚度、使用部位和所選用的錨固件形狀及材料有關，有１５種類型、４０種規格，重量約３０００ｋｇ的錨固件系統對爐襯的應力分布及熱脹冷縮熱應力的均衡、延長爐襯壽命，起至關重

要的作用。

三、效果及存在的問題

１、效果與啟示

①該爐子在耐火材料使用中注重隔熱材料的使用，在高溫設備沸騰焙燒爐和循環旋風筒上均采用五層耐火材料，四層隔熱材料，保溫效果很好。盡管爐子內部溫度高達１１００℃，但爐體外表溫度僅為７０℃左右。其它部位均有二層或三層隔熱材料，故爐子整體熱效率很高。

②不同設備、不同工況條件，選用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比較經濟、合理，對今后耐火材料的選用有

一定的啟示。

③不同爐溫、不同耐火材質、不同爐襯厚度、不同使用部位，所用錨固件的形狀、分布及材質不同。

④沸騰焙燒爐、循環旋風筒、二級旋風分離器、二級文丘里等拱頂采用異型磚逐環砌筑，環與環之間子母相扣，保障了球形拱頂的整體性能。解決了澆注料施工麻煩、養護時間長、損毀后難修補的問題。

２、存在問題

在不到３年的應用中，沸騰焙燒爐內因二級文丘里干燥器、煙道等處紅爐，曾停爐檢修４次，原因有以下幾點。

結構不合理

二級文丘里到二級旋風筒的通道高２．５ｍ，寬１．７ｍ，磚厚僅為１８０ｍｍ，且分兩層（６５ｍｍ和１１５ｍｍ），盡管設置有錨固件，但仍顯不穩，使用不到一年即掉磚。遂在大修時進行改進，保持內表面積不變，高度不變，外殼加寬１１５ｍｍ，耐火磚加厚１１５ｍｍ，改為６５ｍｍ保溫磚和２３０ｍｍ耐火磚。改后的運行效果較好。

磚縫及膨脹縫較大

此爐設計的耐火磚在位置高度上一般每間隔３．５ｍ留有２５ｍｍ的臌脹縫，根據我國耐火材料的線變化，在１４５０℃、保溫２ｈ，線收縮一般為＋０～－０．２％，熱膨脹系數３００～４００℃時為０．１％，故２５ｍｍ的膨脹縫過大。停爐時透過所有膨脹縫可看到外層鋼板。故根據理論要求，膨脹縫留７～８ｍｍ。

二級文丘里、二級旋風筒及連接過道的耐火磚強度低，不耐磨

開爐２年多以來，二級旋風筒的耐火磚由厚１１５ｍｍ磨損至局部僅為２０ｍｍ，二級文丘里的耐火磚磨損僅為７０ｍｍ左右，連接過道耐火磚已更換兩次，此處所選磚的強度只為３４ＭＰａ，說明此處的耐火磚不符合工藝要求。此外氣流流速大，氧化鋁對其的沖刷嚴格，應使用高強耐磨磚，因此在高鋁質骨料中添加耐磨骨料，以增強耐火磚的耐磨性。耐磨骨料如剛玉、板狀剛玉等都具有高耐火度、蠕變小、高密度、熱震穩定性好、耐磨性好等優點，在該部位試用高強度耐磨磚，可顯著提高內襯的使用壽命。

澆注料之間施工縫隙過大

沸騰焙燒爐與循環旋風筒之間的過道頂部為三層澆注料、兩層保溫澆注料、一層耐火澆注料，錨固件為ＳＴ－２０－２１型，由于施工縫隙過大，氧化鋁穿過施工縫沖刷錨固件，導致錨固件斷裂，澆注料脫落，影響生產。采用的措施包括增強錨固件的焊接強度，改進施工工藝；減少保溫澆注料厚度，過道兩端全部改為耐火澆注料，減少施工縫等。中鋁山東分公司為提高氧化鋁生產工藝和技術裝備水平，從德國盧奇公司引進一套產能為１６００ｔ／ｄ氧化鋁工藝技術及自動化水平高的流態化循環沸騰焙燒爐。１９９７年９月點火烘爐、投運。隨后安裝的一套于２００１年１１月點火。此套裝置所用的耐火材料內襯為硅酸鈣板、輕質澆注料、耐火澆注料、耐火粘土磚和耐火纖維及錨固件。