电阻炉温度监控系统设计
李玉煌
前言：
温度是国际单位制七个基本物理量之一，在我们日常的生活当中充当了一个十分重要的角色，动、植物有适宜的体温才能保证正常的活动；人类在生产生活中，温度也是一个极其重要的模拟量，随着科学技术日新月异的发展，温度的控制与测量广泛的应用于工业、医学、生物学、化学、石油、能源、食品、冶金等各个行业，温度作为一个很重要的参数，有着举足轻重的意义。电阻炉具有很大的用途在实验室、研究所、工厂企业等作金相分析、金属热处理以及玻璃烧制和钢件淬火、退火、回火等热处理工艺，还做金属、陶瓷的烧结、溶解、分析等高温加热用。现代社会是一个竞争激烈的社会，在热处理金属时电阻炉的温度控制不佳将会影响金属的品质和工厂生产的效率，导致企业的竞争力低下，而温度控制又并非线性的，这类控制存在严重的滞后以及大惯性，影响因素颇多，无法准确的建立数学模型，而且工业中对材料的加热时间要求短，又希望其有超调量小的特点，因而设计一台能够升温迅速，超调量较小，温度控制精度又高的电阻炉对于提高产品质量，提高企业竞争力具有十分
重要的意义。
正文：
电阻炉属于工业炉，但并非是锅炉。常用的锅炉属于能源转化设备，而工业炉在结构上是使其他能源转换为热能的设备,，根据加热方式的不同，电炉又分为电阻炉、电弧炉、电子束炉等，其中常见的为电阻炉，电阻炉的原理为：当电流在导体中流过时，由于任何导体均存在电阻，由焦耳定律Q＝IRt，实现将电能转换为热能，电阻炉相比其他加热方式而言具有容易控制，炉体寿命长的特点。
电阻炉按电热传导方式分为三种：辐射式、对流式、热传导式，辐射式电阻炉，主要以电磁波传播热能，对流式电阻炉以对流传热为主，通常称为空气循环电阻炉，靠空气进行加热，炉温一般低于650℃，而热传导式以热传导传热为主。
电阻炉热量产生的方式有两种：1、直接加热式；2、间接加热式。
间接加热式：现在使用得比较广泛，在炉子内部设有专用的电阻材料做电热体，电流通过电热体产生热量而加热制品，电热体常用的有铁铬铝（Fe-Cr-Al）电热体（适合于1000℃—1300℃，抗氧化性好，易加工，电阻大，温度系数小，价格低廉，但塑性差，加工较困难，高温强度低，焊接性能差，适用于低温炉）；镍铬（Ni-Cr）电热体（1000℃以下的温度，材料易加工，电阻率较小、密度较大高温强度和焊接性能好，熔点低，但是成本较高，主要用于实验小电炉）；碳化硅（在空气水蒸气、空气、二氧化碳氛围中最高温度1700℃，抗氧化性好，但是在400℃~700℃容易氧化，应避免使用，且电阻系数较大，必须配备调压器）；纯金属点热合金（钨、钼等高温下易氧化，在真空炉中温度可达1800℃和2400℃电阻率小，电阻系数大，使用时配备调压器）、二硫化钼、石墨等，炉内可以通入保护气氛或者空气，小型炉供电为单相，大型炉供电为三相，炉温低于700℃多采用鼓风机使炉内加热均匀。
直接加热式：电源直接接在所需加热的材料上，使电流流过所需加热的材料而使材料自己达到加热的效果，直接加热式物料加热很快，适合于需要迅速升温的加热工艺，但是直接加热式需要较大的工作电流容易引起电弧，而且加热可能不均匀，交流电加热可能引起感抗过大，导致功率因素过低。
在现代工业中电阻加热炉温度检测以热电偶为主，其中铂铑13-铂热电偶（S）性能稳定、航氧化性能强、温度可达1300℃，达到1400℃铂丝会出现再结晶断裂，在所有热电偶中，准确度最高但是其微分热电势较小所以灵敏度较低，价格较贵，机械强度低不适合在还原性气体、或蒸汽条件下使用；铂铑13-铂热电偶(R)，同S型相比，电势大15%，其他性能几乎相同；铂铑30-铂铑6热电偶(B)室温下其热电势很小，故一般不用补偿导线，长期使用温度为1600℃，短期为1800℃，需配用灵敏度高的显示仪表；镍铬—镍硅热电偶（K）可测0~1300℃介质温度，适宜在抗氧化性及惰性气体中连续使用，短期温度为1200℃，长期温度为1000℃，热电势与温度的关系近似线性，价格便宜，不适合在真空、含硫及氧化还原的气氛下使用，应该采用金属制保护管。
现在随着工业发展，厂家对热控制的要求也越来越高，电阻炉的设计中温度控制的方式显得格外的重要，常用的温度控制方式方法主要有PID控制、模糊控制、Fuzzy-PID控制、神经网络等控制方法。
现在的工业主要使用的是PID控制算法，发展比较成熟，PID控制即比例、积分、微分控制，但是在温度控制时，影响温度的因素过多，而且温度具有大滞后，非线性的特点导致
温度控制中PID参数的设定显得比较困难，目前国内PID控制的方式用于小型试验用电阻炉，而在大型工业炉中控制难以保证精度以及时效性、稳定性。
模糊控制也运用在电阻炉温度的控制，模糊控制具有其优点，设计时不需要建立被控制对象的数学模型，只要求掌握相关的控制经验，模糊控制系统鲁棒性强，尤其适用于非线性时变、滞后系统的控制，但是模糊控制的难点在于模糊控制规则的建立，而且控制规则一旦确定，不能在线调整，不能很好地适应情况的变化，模糊控制器由于不具有积分环节，因而稳态精度不高。
神经网络（BP网络）控制是一种模仿人脑结构及其功能的信息处理系统，可以处理一些环境信息十分复杂，背景知识不清楚，推理规则不明确的问题，神经网络的方法允许有较大的缺损和畸变。但是BP网络学习速度很慢，由于其本质为梯度下降法，故他所优化的目标函数非常复杂，会出现“锯齿形现象”，使得算法低效。算法可能陷入局部极值导致训练失败。
Fuzzy-PID控制，这种控制方法结合了模糊控制和PID控制的优点，模糊控制不需要知道被控对象的精确模型，易于控制不确定对象和非线性对象；与PID控制相比，响应速度快，
超调量小，抗干扰能力能力更强，与模糊控制相比，控制精度更高，鲁棒性更强。多使用于任何PID控制和模糊控制应用的场合，如各种工业窑，某些化工过程和热电厂蒸汽温度控制等。
小结：
通过本人参考各种资料书籍，以上总结了电阻炉设计中的的电阻炉的分类，电阻炉产热及其传热的方式及其优缺点的对比，电阻炉温度加热材料的性能及其选取的原则，以及之后电阻炉温度信号的检测方法和各种热电偶适用的范围以及数据处理中会用到的各种算法的优缺点对比，综合考虑个方面因素，若想设计出比较好的电阻炉而又关注其性价比，本监控系统的精度要求不高故采取了一般控制方法，热电偶选取镍铬—镍硅热电偶（K）比较实惠，本次设计温度主要针对1000℃以下的温度控制，选取镍铬合金电热体比较较好。
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