实验五 温度测量及控制实验

实验五温度测量及控制实验

一、实验目的

了解热电阻或热电偶等温度传感器的工作原理和与工作特性，同时学习PID控制方法和原理，加深对各式温度传感器工作特性的认识。

二、基本原理

PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器,属于正温度系数热敏电阻传感器，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。其电阻和温度变化的关系式如下：

R=Ro(1+αT) 其中α=0.00392，Ro为100Ω(在0℃的电阻值)，T为摄氏温度依据1821年塞贝克发现的热电现象，即：当两种不同的导体或半导体接成闭合回路时，如果它们的两端接点的温度不同，则在该回路中就会产生电流，这表明回路中存在电动势，称为塞贝克温差电势，简称热电势。

K型热电偶是以镍铬合金为正极，镍硅合金为负极的两导体的一端焊接而成的。这两根导体的焊接端称为K型的热电极，其焊接端为热端，非焊接端为冷端。在进行温度测量时，将插入被测的物体介质中，使其热端感受到被测介质的温度，其冷端置于恒定的温度下，并用连接导线连接电气测量仪表。由于两端所处的温度不同，在回路中就会产生热电势，在保持冷端温度不变的情况下，产生的热电势只随其热端温度而变化，因此，用电气测量仪表测得热电势的数值后，便可求出对应的温度数值。由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。K型热电偶能测量较高温度，可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。

1.系统框图

控制系统的主要工作过程是：用户在人机界面上设置目标温度及各个控制参数，热电偶测量被控对象的温度信号，经过EM231热电偶模拟量输入模块转换为标准的数字量， PLC作出相应的数字处理，并进行PID控制的运算。在固态继电器输出方式下通过输出过程映像寄存器发出PWM波来驱动固态继电器控制加

热器工作。在调压模块输出方式下通过模拟量输出模块EM232驱动调压模块控制加热器工作。

2.固态继电器调压原理

1. 上升时间tr

2. 峰值时间tp

3. 超调量Mp

在本实验中，超调量为最大偏差/设定温度，为百分比形式。

4. 调整时间ts

一、实验内容和步骤

在实验室使用的是一个1000W的加热器，加热水量约为600mL。为了节省实验时间我们首先将设定温度设置为40度，待温度基本稳定后记录从40度加热到60度时的各个过程参数。

1．进入触摸屏“PID加热控制”，设置合适的PID参数，点击“加热”按钮开始加热。

2．进入触摸屏“过程曲线监控”或者“过程变量监控”对加热过程进行监控，摘抄数据。

3．同时在电脑Setp 7 MicroWIN软件上监控。在菜单栏“工具”调出“PID调节控制面板”，这个曲线可以保存无数个点，能完整地显示整条温度曲线，方便截图。

4．设置不同的参数，操作并填写下表1实验数据：

表1 实验过程相关数据

设定参数由40度到60度测量参数

Kp Ti(分) Td(分) 最大偏差(度) 超调量% 上升时间(秒) 峰值时间(秒)

20 1 0 0.5 0.83 420 490

40 1 0 0.8 1.33 400 460

40 8 0 0.6 1.00 410 480

80 1 0 1.3 2.17 645 715

K20 I1图像如下

K40 i1图像如下

K40 i8 图像如下

K80 i1图像如下

比例环节对比：

对比第二次和第四次实验数据以及图像可以看出，第四次数据在峰值差、超调量、上升时间、峰值时间都比第二组数据要大。所以，在实验中适当减少积分时间可以使加热过程中的峰值差和超调量降低，峰值时间和上升时间减少。

积分环节对比：

对比第二组和第三组实验数据可以看出，超调量和最大偏差降低，上升时间和峰值时间增加，不过i8的时候图像看出达到平稳后温度波动变化大，不稳定。

4．利用温控系统设计不同的目标温度，测量PT100热电阻在不同温度下的阻值，分析其工作原理。

表2 PT100实验测量数据

由数据和图表看出，一定测量范围内，温度和阻值成线性关系。

二、思考题

1、根据实验结果查询并比较热电偶和热电阻传感器的工作原理和应用特性。

答：热电偶工作原理

将两种不同的金属导体焊接在一起，构成闭合回路，如在焊接端（即测量端）加热产生

温差，则在回路中就会产生热电动势，此种现象称为塞贝克效应（Seebeck-effect）。如将另一端（即参考端）温度保持一定（一般为0℃），那么回路的热电动势则变成测量端温度的单值函数。

热电阻工作原理

热电阻是利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻

的受热部份(感温元件)是用细金属丝均匀地双绕在绝缘材料制成的骨架上。当被测介质中有温度发生变化时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质中的平均温度。

应用特性:

测温范围不同，所以所在的场合不一样，热电阻一般在低温范围《200，准确度、灵敏度高；

热电偶一般在高温范围，将温度量转换成电量进行测量。

2、P(增益Kp)和 Ti(积分时间)参数对加热控制效果有何影响？

答：当Kp增大时，系统响应速度加快，幅值增高。当Kp达到一定值后，系统不稳定。当Td增大时，系统响应加快，响应峰值提高。

3、增益越大，上升时间就越短吗？如果不是，什么原因导致了这种误差？

答：由我们的实验数据看出，增益越大，上升时间反而越大。可能是之前的实验完冲水时影响了这次试验；谁的比热容大，有较强稳定性。

三、感想：

这次实验总体来说用时比较长，不过实验比较简单，要注意几点就是做完一次实验换水后应该再用冷水冲一次，因为实验加热只是将上面的水加热，上下水温不均匀，还有第二次实验分工要明确，不然会手忙脚乱，整体实验比较轻松，就是等的时间比较漫长。