多功能控制器

[color=#990000]摘要：针对温度跟踪控制中存在热电堆信号小致使控制器温度跟踪控制精度差，以及热电阻形式的温度跟踪控制中需要额外配置惠斯特电桥进行转换的问题，本文提出相应的解决方案。解决方案的核心是采用一个多功能的超高精度PID控制器，具有24AD和16位DA，可大幅提高温差热电堆跟踪温度控制精度。同时，此PID控制器具有远程设定点功能，两个热电阻温度传感器可直接接入控制器就能实现相应的温度自动跟踪控制。由此仅通过一个超高精度PID控制器，可实现热电偶和热电阻形式的高精度温度跟踪控制。[/color][align=center][img=高精度温度跟踪控制,600,330]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051642301750_9704_3221506_3.jpg!w690x380.jpg[/img][/align][size=18px][color=#990000][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size] 在一些工业领域和热分析仪器领域内，常会用到温度自动跟踪功能，以达到以下目的： （1）保证温度均匀性：如一些高精度加热炉和半导体圆晶快速热处理炉等，为实现一定空间或面积内的温度均匀，一般会采取分区加热方式，即辅助加热区的温度会自动跟踪主加热区。 （2）绝热防护：在许多热分析仪器中，如绝热量热仪、热导率测试仪和量热计等，测试模型要求绝热边界条件。这些热分析仪器往往会采取等温绝热方式手段，由此来实现比采用隔热材料的被动绝热方式更高的测量精度。 自动温度跟踪功能的使用往往意味着要实现快速和准确的温度控制，其特征是具有多个温度传感器和加热器，其中温差探测器多为电压信号输出的热电偶和电阻输出的热电阻形式。对于采用这两种温差探测器的温度跟踪控制，在具体实施过程中还存在以下两方面的问题： （1）在以热电堆为温差传感器的跟踪温度控制过程中，往往会用多只热电偶构成热电堆来放大，N对热电偶组成的热电堆会将温差信号放大N倍，但即使放大了温差信号，总的温差信号对应的输出电压也是非常小。如对于K型热电偶，1℃温差对应40uV的电压信号，若使用10对K型热电偶组成温差热电堆，则1℃温差时热电堆只有400uV的电压信号输出。对于如此小的电压值作为PID控制器的输入信号，若要实现小于0.1℃的温度跟踪控制，一般精度的PID控制器很难实现高精度，因此必须采用更高精度的PID控制器。 （2）在以热电阻测温形式的跟踪温度控制过程中，情况将更为复杂，一般是采用复杂的惠斯登电桥（wheatstonebridge）将两只热电阻温度传感器的电阻差转换为电压信号，再采用PID控制器进行跟踪控制。但这样一方面是增加额外的电桥仪表，另一方面同样要面临普通PID控制器精度不高的问题。 为此，针对上述温度跟踪控制中存在的上述问题，本文将提出相应的解决方案。解决方案的核心是采用一个多功能的超高精度PID控制器，具有24AD和16位DA，可大幅提高温差热电堆跟踪温度控制精度。同时，此PID控制器具有远程设定点功能，两个热电阻温度传感器可直接接入控制器就能实现相应的温度自动跟踪控制。由此通过一个超高精度PID控制器，可实现热电偶和热电阻形式的高精度温度跟踪控制。[b][size=18px][color=#990000]2. 解决方案[/color][/size][/b] 为了实现热电堆和热电阻两种测温形式的温度跟踪控制，解决方案需要解决两个问题： （1）高精度的PID控制器，可检测由多只热电偶组成的温差热电堆输出小信号。 （2）不使用电桥仪器，直接采用PID控制器连接两只热电阻温度传感器进行跟踪控制。 为解决温度跟踪控制中的上述两个问题，解决方案将采用VPC-2021系列多功能超高精度的PID控制器。此控制器的外观和背面接线图如图1所示。[align=center][img=,600,177]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051656426331_2008_3221506_3.jpg!w690x204.jpg[/img][/align][align=center][b][color=#990000]图1 VPC 2021系列多功能超高精度PID控制器[/color][/b][/align] 针对温度跟踪控制，VPC 2021系列多功能超高精度PID程序控制器的主要特点如下： （1）24位AD，16位DA，双精度浮点运算，最小输出百分比为0.01%。 （2）可连接模拟电压小信号，可连接各种热电偶，可连接各种铂电阻和热敏电阻温度传感器，共有多达47种输入信号形式。 （3）具备远程设定点功能，即将外部传感器信号直接作为设定点来进行自动控制。 对于由热电偶组成的热电堆温差探测器形式的温度跟踪控制，具体接线形式如图2所示。[align=center][color=#990000][b][img=温差热电堆控制器接线图,500,194]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051643371408_3010_3221506_3.jpg!w690x268.jpg[/img][/b][/color][/align][align=center][b][color=#990000]图2 温差热电堆控制器接线图[/color][/b][/align] 图2是典型的温差热电堆控制器接线形式，其中用了两只或多只热电偶构成的热电堆检测物体AB之间的温差，温差信号（电压）直接连接到PID控制器的主输入端，PID控制器调节物体B的加热功率，使温差信号始终保持最小（近似零），从而实现物体B的温度始终跟踪物体A。 对于由热电阻温度传感器形式构成的温度跟踪控制，具体接线形式如图3所示。这里用了控制器的远程设定点功能，这时需要物体AB上分别安装两只热电阻温度计，其中物体B上的热电阻（两线制或三线制）连接到PID控制器的主输入端作为控制传感器，物体A上的热电阻（与物体B热电阻制式保持相同）连接到PID控制器的辅助输入端作为远程设定点传感器，由此实现物体B的温度调节始终跟踪物体A的温度变化。[align=center][img=热电阻温度传感器控制器接线图,500,195]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/01/202301051644317319_3570_3221506_3.jpg!w690x270.jpg[/img][/align][align=center][b][color=#990000]图3 热电阻温度传感器控制器接线图[/color][/b][/align][b][color=#990000][size=18px]3. 总结[/size][/color][/b] 高精度的温度跟踪控制一直以来都是一个技术难点，如对于热电偶组成的温差热电堆温度跟踪控制，若采用普通精度的PID控制器还有实现高精度的温度跟踪控制，通常需要增加外围辅助技术手段，一是通过增加热电偶对数来增大温差电压信号，但这种方式工程实现难度较大且带来导线漏热问题，二是采用较高品质的直流信号放大器对温差电压信号进行放大，这同时增加了控制设备的复杂程度和造价。 对于采用热电阻温度传感器进行温度跟踪控制，以往的实现方法是采用复杂的惠斯登电桥（wheatstone bridge）将两只热电阻温度传感器的电阻差转换为电压信号，这同样增加了控制设备的复杂程度和造价。 由此可见，采用VPC 2021系列多功能超高精度PID调节器，可直接与相应的温度传感器进行连接，简化了温度跟踪控制的实现难度和装置的体积，更主要的是超高精度的数据采集和控制可大幅提高温度跟踪的控制精度。[align=center]~~~~~~~~~~~~~~[/align][align=center][/align][align=center][/align]

[size=16px][color=#339999][b]摘要：在目前的流体比值混合控制系统中，普遍采用的是多通道闭环PID控制系统对各路流量进行准确控制后再进行混合，这种控制方式普遍存在的问题是对流量调节阀的响应速度、耐腐蚀性和线性度有很高要求。为此本文提出的第一个解决方案是采用NCNV系列强耐腐蚀的高速和高线性度电控针阀，第二个解决方案则是不再使用流量调节阀，改用压力控制器通过调节流体进口压力来实现流量的精密控制，而第二种方案更适用于微流量的精密控制。[/b][/color][/size][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 问题的提出[/b][/color][/size][size=16px] 在医药实验室、燃烧系统和化工领域的生产过程中，常需要将两种或两种以上的流体物料保持一定的比例进行混合，如比例一旦失调，将影响质量甚至造成事故，因此这种多种流体精密混合的控制需要采用精密的PID比值控制系统。一个比较典型的两种流体混合的双闭环PID比值控制系统如图1所示，但这种比值控制系统存在以下几方面的问题和注意事项：[/size][align=center][size=18px][color=#339999][b][img=常用双回路比值控制系统示意图,600,354]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231002390515_7752_3221506_3.jpg!w690x408.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 常用化学药品注入双回路比值控制系统示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] （1）图1所示结构是一种典型的流量调节方式的控制系统，即通过两个控制阀同时调节两路流体流量，并使两路流量达到设定比值，以实现混合后的准确比率。但这种流量调节方式的前提是其中的两路液体必须有相应的压力进行驱动，且要求相应的驱动压力尽可能稳定。[/size][size=16px] （2）流量调节方式要求控制阀具有较快的调节速度，如果流量调节速度慢于驱动压力的波动速度，则很难实现准确控制。[/size][size=16px] （3）在很多流体比值混合中，流体介质往往都带有腐蚀性，这就要求液体流动管路中的所有装置都需要具有耐腐蚀性，特别是对内部带有运动机构的控制阀，其耐腐蚀性尤为关键。[/size][size=16px] （4）PID控制是一种典型的线性控制技术，为了保证比值控制的准确性，除了要求流量计和PID控制器具有相应的测量控制精度之外，更要求控制阀开度与控制信号之间具有很好的线性关系，否则很难实现较高精度的流量控制，从而也无法实现高精度的比值控制。[/size][size=16px] 上述的快速调节能力、耐腐性以及线性度往往是对流量控制阀的严峻挑战，很少有控制阀能同时满足这些要求，而且口径越大的控制阀越难实现。[/size][size=16px] 为了解决比值控制中控制阀中存在的响应速度、耐腐蚀性和线性度问题，本文提出了两种解决方案。第一种方案是在流量调节的基础上，采用耐腐蚀的线性度好的高速数控针阀；第二种方案是采用压力控制方式来实现流量调节，省略掉流量控制阀，同样可以实现高精度比值控制。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 解决方案[/b][/color][/size][size=16px] 本文在这里设计了两套解决方案，第一套方案还是采用流量调节技术，只是对控制阀和比值控制器进行了明确，关键是将流量控制阀采用了NCNV系列步进电机驱动的高速高线性度的数控针阀来代替，整个控制系统结构如图2所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用高速数控针阀的比值控制系统,600,341]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231003088266_938_3221506_3.jpg!w690x393.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 采用高速数控针阀的比值控制系统[/b][/color][/size][/align][size=16px] 所用的NCNV数控针阀的通经范围为0.9~4.1mm（甚至更大），全量程响应时间小于1秒，可实现高速流量调节。由于采用了步进电机驱动，从而具有很小的磁滞和优于±2%的线性度，全量程的重复精度可以达到±0.1%。另外此系列数控针阀还具有极低的漏率，可用于对真空密封要求苛刻的使用场合。数控针阀的控制除了可以直接采用0~10V模拟电压控制之外，也可采用RS485信号进行通讯控制。[/size][size=16px] 图2所示的流量调节比值控制系统中，比值控制器采用了VPC2021系列多功能PID控制器。此控制器具有两路独立通道进行比值控制。重要的是这两路PID控制通道都具有24位AD采集精度和16位DA控制精度，由此可进行高精度的比值控制，还可以满足微小流量变化的控制要求。[/size][size=16px] 在第二套解决方案中，采用了压力控制器、流量计和比值控制器构成的双闭环控制回路来进行每个独立管路中的流量控制，由此最终实现比值控制。由于每个管路中的管径保持不变，那么通过改变进液压力就可以调节流量。这种采用压力控制方式的比值控制系统如图3所示。进液压力控制可以采用对进液容器内部的气压控制方式将流体压出，这时的气压控制就相当于一个气压泵，此流量控制方式可以实现很高的控制精度。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=采用压力控制器的比值控制系统,600,338]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/08/202308231003293037_3318_3221506_3.jpg!w690x389.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图3 采用压力控制器的比值控制系统[/b][/color][/size][/align][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 综上所述，通过上述的两套解决方案，可以很好的解决目前流体混合中比值控制在响应速度、耐腐蚀性和线性度等方面存在的问题，可以实现流体比值混合的高精度控制。特别在第二套解决方案中所采用的压力控制技术，去掉了流量控制阀，但增加了压力控制来调节流量，由此可以实现超高精度的流量控制，特别适用于微流量的快速控制，可推广应用于微流控领域。[/size][align=center][size=16px][/size][/align][align=center][b][color=#339999]~~~~~~~~~~~~~~~[/color][/b][/align][size=16px][/size]