電阻爐溫度監控系統設計
李玉煌
前言：
溫度是國際單位制七個基本物理量之一，在我們日常的生活當中充當了一個十分重要的角色，動、植物有適宜的體溫才能保證正常的活動；人類在生產生活中，溫度也是一個極其重要的模擬量，隨著科學技術日新月異的發展，溫度的控制與測量廣泛的應用于工業、醫學、生物學、化學、石油、能源、食品、冶金等各個行業，溫度作為一個很重要的參數，有著舉足輕重的意義。電阻爐具有很大的用途在實驗室、研究所、工廠企業等作金相分析、金屬熱處理以及玻璃燒制和鋼件淬火、退火、回火等熱處理工藝，還做金屬、陶瓷的燒結、溶解、分析等高溫加熱用。現代社會是一個競爭激烈的社會，在熱處理金屬時電阻爐的溫度控制不佳將會影響金屬的品質和工廠生產的效率，導致企業的競爭力低下，而溫度控制又并非線性的，這類控制存在嚴重的滯后以及大慣性，影響因素頗多，無法準確的建立數學模型，而且工業中對材料的加熱時間要求短，又希望其有超調量小的特點，因而設計一臺能夠升溫迅速，超調量較小，溫度控制精度又高的電阻爐對于提高產品質量，提高企業競爭力具有十分
重要的意義。
正文：
電阻爐屬于工業爐，但并非是鍋爐。常用的鍋爐屬于能源轉化設備，而工業爐在結構上是使其他能源轉換為熱能的設備,，根據加熱方式的不同，電爐又分為電阻爐、電弧爐、電子束爐等，其中常見的為電阻爐，電阻爐的原理為：當電流在導體中流過時，由于任何導體均存在電阻，由焦耳定律Q＝IRt，實現將電能轉換為熱能，電阻爐相比其他加熱方式而言具有容易控制，爐體壽命長的特點。
電阻爐按電熱傳導方式分為三種：輻射式、對流式、熱傳導式，輻射式電阻爐，主要以電磁波傳播熱能，對流式電阻爐以對流傳熱為主，通常稱為空氣循環電阻爐，靠空氣進行加熱，爐溫一般低于650℃，而熱傳導式以熱傳導傳熱為主。
電阻爐熱量產生的方式有兩種：1、直接加熱式；2、間接加熱式。
間接加熱式：現在使用得比較廣泛，在爐子內部設有專用的電阻材料做電熱體，電流通過電熱體產生熱量而加熱制品，電熱體常用的有鐵鉻鋁（Fe-Cr-Al）電熱體（適合于1000℃—1300℃，抗氧化性好，易加工，電阻大，溫度系數小，價格低廉，但塑性差，加工較困難，高溫強度低，焊接性能差，適用于低溫爐）；鎳鉻（Ni-Cr）電熱體（1000℃以下的溫度，材料易加工，電阻率較小、密度較大高溫強度和焊接性能好，熔點低，但是成本較高，主要用于實驗小電爐）；碳化硅（在空氣水蒸氣、空氣、二氧化碳氛圍中最高溫度1700℃，抗氧化性好，但是在400℃~700℃容易氧化，應避免使用，且電阻系數較大，必須配備調壓器）；純金屬點熱合金（鎢、鉬等高溫下易氧化，在真空爐中溫度可達1800℃和2400℃電阻率小，電阻系數大，使用時配備調壓器）、二硫化鉬、石墨等，爐內可以通入保護氣氛或者空氣，小型爐供電為單相，大型爐供電為三相，爐溫低于700℃多采用鼓風機使爐內加熱均勻。
直接加熱式：電源直接接在所需加熱的材料上，使電流流過所需加熱的材料而使材料自己達到加熱的效果，直接加熱式物料加熱很快，適合于需要迅速升溫的加熱工藝，但是直接加熱式需要較大的工作電流容易引起電弧，而且加熱可能不均勻，交流電加熱可能引起感抗過大，導致功率因素過低。
在現代工業中電阻加熱爐溫度檢測以熱電偶為主，其中鉑銠13-鉑熱電偶（S）性能穩定、航氧化性能強、溫度可達1300℃，達到1400℃鉑絲會出現再結晶斷裂，在所有熱電偶中，準確度最高但是其微分熱電勢較小所以靈敏度較低，價格較貴，機械強度低不適合在還原性氣體、或蒸汽條件下使用；鉑銠13-鉑熱電偶(R)，同S型相比，電勢大15%，其他性能幾乎相同；鉑銠30-鉑銠6熱電偶(B)室溫下其熱電勢很小，故一般不用補償導線，長期使用溫度為1600℃，短期為1800℃，需配用靈敏度高的顯示儀表；鎳鉻—鎳硅熱電偶（K）可測0~1300℃介質溫度，適宜在抗氧化性及惰性氣體中連續使用，短期溫度為1200℃，長期溫度為1000℃，熱電勢與溫度的關系近似線性，價格便宜，不適合在真空、含硫及氧化還原的氣氛下使用，應該采用金屬制保護管。
現在隨著工業發展，廠家對熱控制的要求也越來越高，電阻爐的設計中溫度控制的方式顯得格外的重要，常用的溫度控制方式方法主要有PID控制、模糊控制、Fuzzy-PID控制、神經網絡等控制方法。
現在的工業主要使用的是PID控制算法，發展比較成熟，PID控制即比例、積分、微分控制，但是在溫度控制時，影響溫度的因素過多，而且溫度具有大滯后，非線性的特點導致
溫度控制中PID參數的設定顯得比較困難，目前國內PID控制的方式用于小型試驗用電阻爐，而在大型工業爐中控制難以保證精度以及時效性、穩定性。
模糊控制也運用在電阻爐溫度的控制，模糊控制具有其優點，設計時不需要建立被控制對象的數學模型，只要求掌握相關的控制經驗，模糊控制系統魯棒性強，尤其適用于非線性時變、滯后系統的控制，但是模糊控制的難點在于模糊控制規則的建立，而且控制規則一旦確定，不能在線調整，不能很好地適應情況的變化，模糊控制器由于不具有積分環節，因而穩態精度不高。
神經網絡（BP網絡）控制是一種模仿人腦結構及其功能的信息處理系統，可以處理一些環境信息十分復雜，背景知識不清楚，推理規則不明確的問題，神經網絡的方法允許有較大的缺損和畸變。但是BP網絡學習速度很慢，由于其本質為梯度下降法，故他所優化的目標函數非常復雜，會出現“鋸齒形現象”，使得算法低效。算法可能陷入局部極值導致訓練失敗。
Fuzzy-PID控制，這種控制方法結合了模糊控制和PID控制的優點，模糊控制不需要知道被控對象的精確模型，易于控制不確定對象和非線性對象；與PID控制相比，響應速度快，
超調量小，抗干擾能力能力更強，與模糊控制相比，控制精度更高，魯棒性更強。多使用于任何PID控制和模糊控制應用的場合，如各種工業窯，某些化工過程和熱電廠蒸汽溫度控制等。
小結：
通過本人參考各種資料書籍，以上總結了電阻爐設計中的的電阻爐的分類，電阻爐產熱及其傳熱的方式及其優缺點的對比，電阻爐溫度加熱材料的性能及其選取的原則，以及之后電阻爐溫度信號的檢測方法和各種熱電偶適用的范圍以及數據處理中會用到的各種算法的優缺點對比，綜合考慮個方面因素，若想設計出比較好的電阻爐而又關注其性價比，本監控系統的精度要求不高故采取了一般控制方法，熱電偶選取鎳鉻—鎳硅熱電偶（K）比較實惠，本次設計溫度主要針對1000℃以下的溫度控制，選取鎳鉻合金電熱體比較較好。
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