三控三测温控系统的设计和应用
杨雷岗，张丕迪，李 飞，于伟业，王韦国，孙继松
(钢研纳克检测技术股份有限公司，北京 100092)
当前用于材料力学性能测试的高温炉温控系统大都采用测控一体的闭环控制系统，包括高温拉伸试验机和高温持久蠕变试验机。用于测量温度的传感器(热电偶)既用来测试试验场的温度，又用来作为闭环控制温度反馈热电偶。一根热电偶既用来测温又用来控温，这种温控方式只能保证热电偶周围一定范围内的温度是准确的，而试验过程中试样不是固定不变的，这种测控一体的控温方式显然不能满足试验的要求。针对常用的温控系统存在的问题，本文提出了一种三控三测即测控分离的温控方案。
常用的温控系统都是闭环控制，闭环控制的示意图如图1所示。其中，被控对象为试验用高温炉，测量装置为热电偶，调节器为温控仪表，执行机构为固态继电器或者可控硅等直接驱动电阻丝的元器件。
图1 闭环控制示意图
对于常规的试验机，测控一体的温控系统通常需要3根热电偶，主要用来保证高温炉内沿试样轴线方向的炉温均匀性。3根热电偶需要设定同样的目标值，控制稳定后在高温炉内就会形成一个均温区。测控一体的温控系统原理图如图2所示。
图2 温控系统原理图
温控系统中的3根热电偶一般都使用铠装热电偶，从高温炉的侧面直接侧插到高温炉内，如图3所示。
图3 铠装热电偶与高温炉的连接
这种控温方式存在的主要问题是不能保证试样的温度与设定的温度相一致。由于铠装热电偶无法与试样直接接触，或者由于试样的直径和长度不同，造成热电偶与试样不能很好地接触，造成试样和热电偶之间有温度差。同时，由于热电偶是固定的，只能保证在一定区间范围内的温度是正确的，而试样在拉伸过程中会有不同程度的伸长，对于伸长率比较高的试样，在拉伸过程中可能会超出均温区，造成试样上温度发生变化，从而影响试验数据的准确性。
重新设计的温控系统方案，既要保证试样上的温度是准确的，又要能形成一个均温区，在试样拉伸过程中使试样的温度保持准确恒定。基与以上两点，设计了新的三控三测温控系统，其控制示意图如4所示。
图4 串级控制示意图
相对于测控一体的闭环温度控制系统，本方案增加了一路测量装置，由两个串接工作的控制器构成双闭环控制系统，通过设置副控对象来提高主控对象的控制质量。由于副回路的存在，对外界干扰有超前控制的作用，减少了干扰对主控对象的影响，有效改善温控系统的滞后特性。三控三测温控系统的单段控制原理图如图5所示。
图5 串级温控系统原理图
本方案选用azbil公司某型号串级控制温控仪表，控温方式采用主控和副控串联调整温度的控制方式，实现高温炉三控三测的闭环控制。固定到试样上的3根测温热电偶与温控表相关通道连接，构成副控制系统。侧插到炉子上的3根控温热电偶与温控表相关通道连接，构成主控制系统。整个控温过程中，副控制系统不断获取并监控测温偶上的温度，并将温度通过模拟量信号反馈给主控制系统。主控制系统通过对目标设定温度，对控温热电偶监测的温度及副控制系统反馈的温度进行判断和运算，进而向炉丝加热执行器发送指令，最终实现对高温炉内和试样上温度的稳定控制。
本方案中的测温热电偶采用直接接触式(如图6所示)，而不是采用传统的使用棉线直接绑缚到试样上的方式。这种直接接触的测温方式安装方便，可以直接在高温状态下完成安装。同时，与试样直接接触，测温准确稳定。
图6 特制铠装热电偶
将三控三测温控系统应用在高温拉伸试验机上，在300℃、600℃和900℃做了炉温均匀性的检验，检验结果见表1。从表中可以看出，在高温、中温和低温条件下，测温偶和控温偶之间的误差都在要求范围之内，没有超出误差范围的现象。
表1 检验结果
在不同的温度下进行拉伸试验，测温偶和控温偶的温度也没有出现变化，说明通过测温偶和控温偶，在高温炉内形成了一个完整的均热带，可保证在均热带范围内温度是基本恒定不变的，这样可以保证试验数据的准确可靠。
本文通过对常用的温控系统进行分析和测试，发现测控一体的温控系统在实际使用过程中存在一定的问题。重新设计了一种测控分离的温控系统，增加热电偶的数量，将测温偶和控温偶分离，测温偶直接与试样接触，控温偶侧插进高温炉内，通过温控仪表的调节，最后在高温炉内形成均温区，满足试验的要求。
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