浅谈真空热处理炉的温度控制

EquipmentManufactringTechnologyNo.7，2012

浅谈真空热处理炉的温度控制

赵兴亮，刘锋敏

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030002）

摘要：金属零件进行真空热处理均在密闭的真空炉内进行，操作人员无法接近。笔者简单介绍了可以通过温度传感器配合PID控制方法的系统，来对真空热处理炉的温度进行控制，以达到精确控制的目的。关键词：真空处理；温度控制；PID中图分类号：TG155.16；TP273

文献标识码：B

文章编号：1672-545X（2012）07-0190-03

温度控制已成为工业生产、科研活动中很重要的一个环节，能否成功地将温度控制在所需的范围

内，关系到整个活动的成败。由于控制对象的多样性和复杂性，导致采用的温控手段的多样性。在真空热处理设备的温度控制系统中，首先将需要控制的被测参数温度，由传感器转换成一定的信号后，再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号，经过一定规律的计算后，得到相应的控制值，此时将控制量送给控制系统进行相应的控制，而且不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。

1热电偶简介

1.1原理

热电偶的测温原理是基于1821年塞贝克发现的热电现象。如图1所示，把两种不同的导体或半导体材料A、B连接成闭环回路，并将它们的两个连接点，分别置于温度为T及T0（设T＞T0）的热源中，该回路内就会产生热电动势（简称热电势），可用EAB（T，T0）表示，这种现象即称作热电效应。

A

T

B

T0

图1热电偶的测温原理

我们把两种不同导体或半导体的这种组合，称为热电偶，A和B称为热电极，温度高的接点称为热端（或工作端），温度低的接点称为冷端（或自由端）。

1.2对热电偶电极材料的基本要求

从理论上讲，任何两种不同导体（或半导体）都可以配制成热电偶，但是作为实用的测温元件，其要求是多方面的。为了保证工程技术的可靠性，以及有足够的测量精度，并不是所有材料都能组成热电偶，一般对热电偶的电极材料基本要求是：

（1）在测温范围内，热电性质稳定，不随时间而变化；有足够的物理化学稳定性，不易氧化或腐蚀；

（2）电阻温度系数小，导电率高，比热小；（3）测温中产生热电势要大，并且热电与温度之间呈线性或接近线性的单值函数关系；

（4）材料复制性好，机械强度高，制造工艺简单，价格便宜。1.3常用热电偶

（1）镍铬-镍硅（镍铝）热电偶（K型）。该热电偶的正极，为铬质量分数为10%的镍铬合金（KP），负极为硅质量分数为3%的镍硅合金（KN）。负极亲磁，依据此特性，用磁铁可以很方便地鉴别出热电偶的正负极。其特点是，使用温度范围宽，高温下性能较稳定，热电动势与温度的关系近似线性，价格便宜，是目前用量最大的一种热电偶。该热电偶适于在氧化性及惰性气氛中连续使用，短期使用温度为1200℃，长期使

采用金属或合金保护管。用温度为1000℃，

（2）镍铬硅-镍硅镁热电偶（N型）。该热电偶是20世纪70年代，由澳大利亚的Burley等人首先研制出来的，是一种新型镍基合金测温材料。其主要特点

高温抗氧化能力强，热电动势的是，在1300℃以下，

长期稳定性及短期热循环的复现性好，耐核辐照及耐低温性能也好。在-200～1300℃范围内，有全面取

收稿日期：2012-04-10

作者简介：赵兴亮（1983—），男，山西太原人，助理工程师，本科学历，研究方向为真空处理设备；刘锋敏（1981—），女，山西

长治人，工程师，本科学历，研究方向为真空热处理设备。

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《装备制造技术》2012年第7期

传感器、变送器、执代廉价金属热电偶与部分替代S型热电偶的趋势。系统。一个控制系统包括控制器、

（3）铂铑10-铂电偶（S型）。自1885年Le-chat-行机构及输入输出接口。控制器的输出经过输出接

执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，elier发明铂铑10-铂热电偶以来，已有120多年的历口、

史。该种热电偶正极的名义成分，为含铑10%的铂铑合经过传感器，变送器，通过输入接口送到控制器。不金（代号SP同的控制系统，其传感器、），负极为纯铂（代号SN），特点是，热电性能变送器、执行机构是不一

惰性气氛中连续使用，长要采用压力传感器。电加稳定，抗氧化强，宜在氧化性、样的。比如压力控制系统，

期使用温度为1400℃，热控制系统的传感器，是温度传感器。短期使用温度为1600℃。

在所有的热电偶中，其准确等级最高，通常用作2.1开环控制系统

开环控制系统，是指被控对象的输出（被控制标准或作为测量高温的热电偶；其使用温度范围广，

量）对控制器的输出没有影响。在这种控制系统中，价格昂贵，电极丝直径均质性及互换性好。缺点是，

很细，机械强度较低；与其他热电偶相比，其热电动不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。势比较小，需配用灵敏高的显示仪；该种热电偶不适2.2闭环控制系统

闭环控制系统的特点，是系统被控对象的输出于在还原性气氛或含金属蒸气的条件下使用，尤其

应避免接触有机物、铁、硅、H2及CO等；在真空下只（被控制量）会反送回来影响控制器的输出，形成一能短期使用。铂在不太高的温度下，易发生再结晶及个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若晶粒长大现象，不仅使高温强度降低，而且容易引起反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若污染，致使热电性能不稳定。极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用1.4补偿导线负反馈，又称负反馈控制系统。

由热电偶测温的原理可知，只有当热电偶冷端2.3PID控制的原理和特点温度保持不变时，热电偶才是被测温度的单值函数。PID控制是控制工程中技术成熟、应用广泛的一在应用时，热电偶工作端与冷端距离很近，冷端又暴种控制策略，经过长期的工程实践，已形成了一套完露于空间，容易受到周围温度波动的影响，因而冷端整的控制方法和典型的结构。其不仅适用于数学模温度难以保持恒定。型已知的控制系统中，而且对于大多数数学模型难

以确定的工业过程也可应用，在众多工业过程控制为此，我们将在一定温度范围内（包括常温），把

具有与所匹配的热电偶热电动势标称值相同的一对中，取得了满意的应用效果。

（1）PID的工作基理。由于来自外界的各种扰动带有绝缘层的导线与热电偶的参考端相连，将其延

不断产生，要想达到现场控制对象值保持恒定的目长到远离热源或环境温度相对恒定的地方，以补偿

它们与热电偶连接处的温度变化所产生的误差，该使得的，控制作用就必须不断地进行。若扰动出现，

现场控制对象值（以下简称被控参数）发生变化，现种导线我们称之为补偿导线。

其优点如下：场检测元件就会将这种变化采集后，经变送器送至（1）改善热电偶测温线路的力学与物理性能。采PID控制器的输入端，并与其给定值（以下简称SP

值）进行比较，得到偏差值（以下简称e值），调节器用多股或小直径补偿导线，可提高线路的扰性，使接

按此偏差，并以我们预先设定的整定参数控制规律，线方便，也可以屏蔽外界干扰。

发出控制信号，去改变调节器的开度，使调节器的开（2）降低测量线路成本。当热电偶与仪表的距离

度增加或减少，从而使现场控制对象值发生改变，并很远时，可用补偿导线代替贵金属热电偶。

趋向于给定值（SP值（3）补偿导线品质的优劣，将直接影响温度测量），以达到控制目的。

如图2所示，其实PID的实质，就是对偏差（e与控制的准确度。

把材质与所配用热电偶丝的化学成分相同的补值）进行比例、积分、微分运算，根据运算结果，控制

执行部件的过程。偿导线，称为延长型补偿导线（X）；把材质与所配用

热电偶丝的化学成分不同，只能在一定的温度范围比例（P）+

+e（t）y（t）设定+内与热电偶的热电性能一致的补偿导线，称为补偿e（t）积分（I）执行部件

）。常用补偿导线为SC、KC、NC型。型补偿导线（C+-微分（D）

反馈

2PID控制简介

自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制

图2PID工作基理图

（2）比例（P）控制。其能迅速反应误差，从而减小

稳态误差。但是，比例控制不能消除稳态误差。比例

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放大系数的加大，会引起系统的不稳定。

（3）积分（I）控制。其作用是，只要系统有误差存在，积分控制器就不断地积累，输出控制量，以消除误差。因而，只要有足够的时间，积分控制将能完全消除但是积分误差，使系统误差为零，从而消除稳态误差。作用太强，会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡。

（4）微分（D）控制。其可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

根据不同的被控对象的控制特性，又可以分为P、PI、PD、PID等不同的控制模型。2.4PID控制器的参数整定

PID控制器的参数整定，是控制系统的核心内容。其是根据被控过程的特性，确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。

PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：

（1）理论计算整定法。主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据，未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。

（2）工程整定方法。主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在

实际工程中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。这3种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法，所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。

3结束语

PID控制原理的优点，在于能够在控制过程中，

根据预先设定好的控制规律，不停地自动调节控制量，以使被控系统朝着设定的平衡状态过渡，最后达到控制范围精度内的稳定的平衡状态。根据实际情况确定PID的各种参数，这项工作可能是费时的,但做好了,将会提高控制器的使用效果，达到较高的控制精度。

参考文献：

[1]王魁汉.温度测量实用技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]姜忠亮，陈秀云，编著.温度的测量与控制[M].北京：清华大学出版社，2005.

哈尔滨工业[3]于常光主编.自动控制技术及应用[M].哈尔滨：大学出版社，2007.

TheVacuumHeatTreatmentFurnaceTemperatureControl

ZHAOXing-liang，LIUFeng-min

（ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporationSecondResearchInstitute，Taiyuan030002,China）Abstract:vacuumheattreatmentformetalpartsareperformedinairtightfurnace,operatorscan'tgetclose.ThisarticlesimplyintroduceswecancontrolvacuumheattreatmentfurnacetemperaturethroughthesystemwiththetemperaturesensorandPIDcontrolmethod,inordertoachieveprecisecontrol.Keywords:vacuumtreatment;temperaturecontrol;PID

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