工業(yè)控制之?dāng)?shù)字式溫控器方案淺析

　　溫控器有多種稱呼，如溫控開關(guān)、溫度保護(hù)器和溫度控制器等。根據(jù)工作原理，它可以分為突跳式溫控器、液漲式溫控器、壓力式溫控器、電子式溫控器和數(shù)字式溫控器。在現(xiàn)代工業(yè)控制設(shè)備中，數(shù)字式溫控器是最常用的類型。根據(jù)結(jié)構(gòu)，溫控器可以分為一體式溫控器和模塊型溫控器。

　　圖1、各種溫控器

　　1、突跳式溫控器

　　雙金屬片突跳式溫控器是一種將定溫后的雙金屬片作為熱敏感反應(yīng)組件，當(dāng)產(chǎn)品主件溫度升高時(shí)所產(chǎn)生的熱量傳遞到雙金屬圓片上，達(dá)到動(dòng)作溫度設(shè)定時(shí)迅速動(dòng)作，通過機(jī)構(gòu)作用是觸點(diǎn)斷開或閉合;當(dāng)溫度下降到復(fù)位溫度設(shè)定時(shí)，雙金屬片迅速回復(fù)原狀，使觸點(diǎn)閉合或斷開，達(dá)到接通或斷開電路的目的，從而控制電路。

　　各種突跳式溫控器的型號(hào)統(tǒng)稱KSD，常見的如KSD301,KSD302等，該溫控器是雙金屬片溫控器的新型產(chǎn)品，主要作為各種電熱產(chǎn)品具過熱保護(hù)時(shí)，通常與熱熔斷器串接使用，突跳式溫控器作為一級(jí)保護(hù)。熱熔斷器則在突跳式溫控器失漏或失效導(dǎo)致電熱元件超溫時(shí)，作為二級(jí)保護(hù)，有效地防止燒壞電熱元件以及由此而引起的火災(zāi)事故。

　　2、液漲式溫控器

　　液漲式溫控器是當(dāng)被控制對(duì)象的溫度發(fā)生變化時(shí)使溫控器感溫部?jī)?nèi)的物質(zhì)(一般是液體)產(chǎn)生相應(yīng)的熱脹冷縮的物理現(xiàn)象(體積變化)，與感溫部連通一起的膜盒產(chǎn)生膨脹或收縮。以杠桿原理，帶動(dòng)開關(guān)通斷動(dòng)作，達(dá)到恒溫目的液脹式溫控器具有控溫準(zhǔn)確，穩(wěn)定可靠，開停溫差小，控制溫控調(diào)節(jié)范圍大，過載電流大等性能特點(diǎn)。液漲式溫控器主要用于家電行業(yè)，電熱設(shè)備，制冷行業(yè)等溫度控制場(chǎng)合用。

　　3、壓力式溫控器壓力式溫控器通過密閉的內(nèi)充感溫工質(zhì)的溫包和毛細(xì)管，把被控溫度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g壓力或容積的變化，達(dá)到溫度設(shè)定值時(shí)，通過彈性元件和快速瞬動(dòng)機(jī)構(gòu)，自動(dòng)關(guān)閉觸頭，以達(dá)到自動(dòng)控制溫度的目的。它由感溫部、溫度設(shè)定主體部、執(zhí)行開閉的微動(dòng)開關(guān)或自動(dòng)風(fēng)門等三部分組成。壓力式溫控器適用于制冷器具(如電冰箱冰柜等)和制熱器等場(chǎng)合。

　　4、電子式溫控器

　　電子式溫度控制器(電阻式)是采用電阻感溫的方法來(lái)測(cè)量的，一般采用白金絲、銅絲、鎢絲以及熱敏電阻等作為測(cè)溫電阻，這些電阻各有其優(yōu)缺點(diǎn)。一般家用空調(diào)大都使用熱敏電阻式。電子式溫度控制器具有穩(wěn)定，體積小的優(yōu)點(diǎn)，在越來(lái)越多的領(lǐng)域中得到使用。

　　5、數(shù)字式溫控器

　　數(shù)字電子式溫度控制器是一種精確的溫度檢測(cè)控制器，溫控器可以對(duì)溫度進(jìn)行數(shù)字量化控制。溫控器一般采用NTC熱敏傳感器或者熱電偶作為溫度檢測(cè)元件，它的原理是：將NTC熱敏傳感器或者熱電偶設(shè)計(jì)到相應(yīng)電路中，NTC熱敏傳感器或者熱電偶隨溫度變化而改變，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電壓電流改變，再通過微控制器對(duì)改變的電壓電流進(jìn)行檢測(cè)、量化顯示出來(lái)，并做相應(yīng)的控制。數(shù)字溫度控制器具有精確度高、靈敏度好、直觀、操作方便等特點(diǎn)。

　　溫控器的核心功能是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化通常連接著輸入裝置和輸出裝置，輸入裝置有熱電偶、熱電阻、壓力變送器、流量計(jì)、液位變送器等;輸出裝置有固態(tài)繼電器、繼電器觸點(diǎn)開關(guān)、線性電流/電壓輸出、可控硅觸發(fā)輸出和閥門電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制輸出等。

　　圖2、溫控器的輸入輸出

　　以圖3的電熔爐溫控系統(tǒng)為例，應(yīng)用了溫控器自動(dòng)控溫。我們首先在溫控器上設(shè)定一個(gè)目標(biāo)值(SV)，這就是我們希望它最終達(dá)到的目標(biāo)溫度，接下來(lái)，我們采用測(cè)溫體將電熔爐的實(shí)際溫度采集到溫控器，這個(gè)采集到的溫度值和溫控器上已經(jīng)設(shè)定好的目標(biāo)值進(jìn)行比較，比較結(jié)果就是兩者之間的偏差信號(hào)，溫控器根據(jù)這個(gè)偏差信號(hào)進(jìn)行處理，輸出控制信號(hào)，來(lái)驅(qū)動(dòng)外部的操作器對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行加熱或者冷卻，以達(dá)到控制的效果。

　　電熔爐溫控系統(tǒng)主要由電熔爐(被控對(duì)象，自動(dòng)控制電熱絲進(jìn)行加熱)、測(cè)溫體、溫控器和操作器組成。測(cè)溫體是一種將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的元件，通常安裝在被控對(duì)象的檢測(cè)部位，以監(jiān)測(cè)其溫度值。在工業(yè)控制領(lǐng)域，常用的測(cè)溫體包括熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和非接觸式傳感器。其中，前三種屬于接觸式測(cè)溫體。

　　圖4、不同測(cè)溫體

　　測(cè)溫體是溫控器的核心輸入裝置，工程師需要從溫度范圍、精度、成本等多個(gè)角度考量。其中熱敏電阻和鉑電阻較多的被使用。

　　1、熱敏電阻熱敏電阻是將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的元件，其工作原理主要基于半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性。具體來(lái)說(shuō)，熱敏電阻利用半導(dǎo)體的這一特性來(lái)測(cè)量溫度。與熱電阻相比，熱敏電阻的電阻隨溫度的變化而產(chǎn)生較大的變化，因此其測(cè)溫范圍相對(duì)較窄(-50~350℃)。熱敏電阻按照溫度系數(shù)劃定，分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)和正溫度系數(shù)熱敏電阻器(PTC)，NTC熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，其電阻值會(huì)減小。而PTC熱敏電阻具有正溫度系數(shù)，隨著溫度的升高，其電阻值會(huì)增大。在性能方面，熱敏電阻的響應(yīng)速度較慢，穩(wěn)定性一般，測(cè)溫范圍相對(duì)來(lái)說(shuō)也比較苛刻，一般在0-150℃左右。測(cè)量精度與鉑電阻不相上下，為0.05~1.5℃。價(jià)格比鉑電阻低。

　　2、鉑電阻鉑電阻通過溫度變化影響自身電阻值來(lái)測(cè)量溫度。常用的電阻測(cè)溫體主要是PT100。鉑電阻的主要特點(diǎn)是測(cè)溫精度高，配套某些溫控器，可以顯示到0.01攝氏度。適合在常溫、中溫檢測(cè)(-200-650攝氏度)、無(wú)振動(dòng)且對(duì)精度要求較高的應(yīng)用環(huán)境中，穩(wěn)定性好、耐腐蝕。

　　3、熱電偶熱電偶的測(cè)溫原理基于塞貝克效應(yīng)(熱電效應(yīng))。熱電偶是由兩種不同材料的金屬(通常是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，如鉑銠、鎳鉻-鎳硅等材料配對(duì))構(gòu)成，當(dāng)兩種不同材料的金屬接觸之后，產(chǎn)生電勢(shì)差，找到電勢(shì)差信號(hào)和溫度信號(hào)之間的關(guān)系，就可以知道溫度的大小。熱電偶就是根據(jù)這種原理來(lái)檢測(cè)溫度的。熱電偶主要特點(diǎn)是測(cè)溫范圍廣，熱響應(yīng)速度快，并且具有較強(qiáng)的耐振動(dòng)性，測(cè)溫范圍-200~+2000℃，測(cè)溫精度在0.5-5.0℃，構(gòu)造簡(jiǎn)單，價(jià)格低。熱電偶屬于耐用器件，可用于危險(xiǎn)惡劣的環(huán)境下。由于暴露于環(huán)境中，抗腐蝕性較弱，所以穩(wěn)定性不如熱敏電阻和鉑電阻。測(cè)量精度不高，使用時(shí)必須使用補(bǔ)償導(dǎo)線。4、溫度傳感器溫度傳感器屬于集成式的傳感器。IC類溫度傳感器的優(yōu)點(diǎn)在于功耗較低，體積小，集成度高。缺點(diǎn)在于，它的響應(yīng)速度較慢且測(cè)試溫度范圍僅為-70~+150℃，測(cè)溫精度與熱電偶傳感器差不多，為0.5-5.0℃。操作器是溫控器的核心輸出裝置，由于溫控器能輸出與被控對(duì)象相關(guān)的電流或電壓信號(hào)，就得根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇適合的輸出裝置，例如各種繼電器、變頻器、電磁鐵、電磁閥、電動(dòng)閥等，他們?cè)陔娐分衅鹜〝?、控制、調(diào)節(jié)和保護(hù)等功能，操作器接收溫控器命令自動(dòng)執(zhí)行加熱或冷卻功能，使溫度逐步趨于目標(biāo)值，達(dá)到控制溫度目的。1、電壓輸出：這是最常見的輸出方式之一，通過調(diào)節(jié)電壓信號(hào)的幅度來(lái)控制設(shè)備的工作狀態(tài)。通常，0V表示關(guān)閉控制信號(hào)，而10V或5V表示完全打開控制信號(hào)，此時(shí)被控制設(shè)備開始工作。這種輸出方式適用于控制電機(jī)、風(fēng)扇、燈光等需要漸進(jìn)式控制的設(shè)備。

　　2、繼電器繼電器輸出為有接點(diǎn)輸出形式，常用于ON/OFF控制和PID控制的溫控器。由于繼電器內(nèi)置于溫控器中，所以無(wú)法具備大開閉容量。當(dāng)控制高于額定的負(fù)載時(shí)，可借由設(shè)置外部電磁開關(guān)(MC)等做開閉動(dòng)作。優(yōu)點(diǎn)是可以開閉多種負(fù)載。缺點(diǎn)是使用接點(diǎn)方式，所以有開閉次數(shù)的壽命限制。

　　3、固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器輸出是使用半導(dǎo)體元件的無(wú)接點(diǎn)繼電器，可直接開閉交流電壓。優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是因固態(tài)繼電器內(nèi)置于溫控器內(nèi)，所以開關(guān)容量并不大。又因半導(dǎo)體元件的特性及減震回路之故，存在漏電流及殘留電壓。

　　4、變頻器

　　溫控器與變頻器結(jié)合使用，可以根據(jù)負(fù)載和溫度變化及時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到節(jié)能、穩(wěn)定的效果。例如家畜圈舍的節(jié)能控制，使用溫控器的2個(gè)控制輸出，1臺(tái)控制器控制加熱，1臺(tái)控制冷卻。用變頻器控制冷卻風(fēng)扇電機(jī)，可減少電力消耗。

　　圖5、家畜圈舍的節(jié)能控制

　　根據(jù)EnMaking對(duì)奧托尼克斯溫控器TC4M-14R的拆解，它們嘗試解密溫控器上常用的電子元器件或芯片方案。

　　奧托尼克斯的TC4M-14R具有100 ms的高速采樣率和±0.5%的顯示精度，支持繼電器輸出和固態(tài)繼電器輸出，可輕松切換PV和SV。

　　TC4M-14R是簡(jiǎn)單的外殼分離方式，整個(gè)外殼使用卡扣固定，并沒有使用任何的螺絲。拆卸時(shí)使用鑷子或者螺絲刀按下卡扣即可拆開，再抽出線路板。拆開后的線路板由三塊組成，且均由塑料結(jié)構(gòu)卡扣固定。

　　拆開后的線路板由三塊組成，且均由塑料結(jié)構(gòu)卡扣固定。三塊線路板分別為L(zhǎng)ED顯示面板，電源板，主控板;電源板和主控板通過排線焊接連接;主控板與LED面板通過垂直焊接連接。

　　LED顯示面板使用0603封裝LED作為溫度和功能顯示，使用結(jié)構(gòu)件分割導(dǎo)光，實(shí)現(xiàn)了數(shù)碼管的功能，并沒有直接使用數(shù)碼管，這樣可以最大程度的降低成本，面板上還有輕觸按鍵，LED則直接使用矩陣的方式，由主控芯片直接驅(qū)動(dòng)。

　　主控板，包含了溫度傳感器信號(hào)采集，主控芯片，輸出繼電器。信號(hào)采集兼容PT100和K型熱電偶，通過電子開關(guān)芯片的74HC4316，輸入到OPA188放大電路和LM2904放大電路，三顆芯片均使用德州儀器品牌，可謂用料良心。主控的單片機(jī)使用一顆LQFP48封裝的芯片，由于芯片絲印F8515A是后標(biāo)上去的，并不能確定品牌和型號(hào)。輸出繼電器是富士通的FTR-F3AA006E。

　　綜上所述，工程師設(shè)計(jì)一款溫控器并不簡(jiǎn)單，涵蓋原理圖、器件選型、電路圖設(shè)計(jì)、PCB布局以及相應(yīng)的試樣與調(diào)試等多個(gè)環(huán)節(jié)。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺(tái)，過去數(shù)年已積累了海量極具優(yōu)勢(shì)的芯片貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長(zhǎng)尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購(gòu)，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。

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