溫控儀PID參數(shù)對(duì)鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐性能的影響*

余占江　閆小克　任家富　王　鵬

(1.成都理工大學(xué)，成都 610059；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

0　引言

熱管是一種利用工質(zhì)相變進(jìn)行熱量傳遞的元件，具有較高的傳熱性能和等溫性能。熱管技術(shù)從20世紀(jì)70年代開始迅速發(fā)展，由于其工作溫度范圍廣，在余熱回收、散熱、核能工程、航空航天和電器工業(yè)等行業(yè)廣泛應(yīng)用。熱管的研究和利用主要集中在熱管高效的傳熱特性[1-2]，而對(duì)于其優(yōu)異的均溫性能的研究和利用主要在溫度計(jì)量領(lǐng)域。

熱管的工作溫度范圍取決于熱管工質(zhì)的性質(zhì)及其管殼材料。在不同溫度范圍，選擇使用不同工質(zhì)的熱管。雖然鈉鉀合金的傳熱特性略遜于金屬鈉，但是鈉鉀合金仍被認(rèn)作是優(yōu)質(zhì)的傳熱介質(zhì)。與鈉、鉀的物理性能相比，不同配比的鈉鉀合金在室溫時(shí)可呈液態(tài)。當(dāng)鈉鉀合金中金屬鈉和金屬鉀的配比不相同時(shí)，鈉鉀合金的熔沸點(diǎn)不同，作為熱管工質(zhì)時(shí)，熱管可以在不同的溫度范圍下工作。例如：在空間技術(shù)上用于斯特靈放射性同位素動(dòng)力系統(tǒng)和布雷頓核電轉(zhuǎn)換裝置上的散熱系統(tǒng)的導(dǎo)熱劑[3-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者研究了鈉鉀合金熱管的啟動(dòng)特性、等溫特性和傳熱特性[5]，但是這些研究應(yīng)用主要集中在高溫溫區(qū)。在中溫溫區(qū)合適的熱管工質(zhì)是汞，但是汞有毒且在使用過程中一旦燒毀管殼或泄漏均會(huì)造成嚴(yán)重后果，因此汞熱管的使用受到了限制。所以，開展鈉鉀合金熱管在中溫溫區(qū)的研究非常有意義。

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了以鈉鉀合金為工質(zhì)的熱管及相應(yīng)的加熱爐。熱管性能、爐子熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫控儀性能、室溫波動(dòng)和溫度傳感器的控溫位置等因素會(huì)影響鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐性能。但當(dāng)熱管校準(zhǔn)爐設(shè)計(jì)、加工完成后，溫控儀的PID控制參數(shù)是影響熱管校準(zhǔn)爐性能的主要因素。因此，當(dāng)鈉鉀合金在200℃、400℃運(yùn)行時(shí)，研究了PID參數(shù)對(duì)鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐溫度穩(wěn)定性的影響。

1　鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐

鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐主要包括加熱爐、溫控儀、穩(wěn)壓電源及鈉鉀合金熱管，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。加熱爐由繞在氧化鋁陶瓷管表面的加熱絲加熱，通過溫控儀控制加熱爐內(nèi)的溫度。熱管具有六個(gè)溫度計(jì)阱，標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)放置于溫度計(jì)阱內(nèi)。測(cè)量裝置包括MicroK400測(cè)溫儀、標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)。利用測(cè)溫儀測(cè)量鉑電阻溫度計(jì)在計(jì)阱內(nèi)的溫度。為避免金屬對(duì)鉑電阻溫度計(jì)的污染，在溫度計(jì)阱內(nèi)插入石英套管保護(hù)管。

為了獲得均勻、穩(wěn)定的溫場(chǎng)，在設(shè)計(jì)鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐的時(shí)候采取一系列針對(duì)性的措施：

1)選用鉀的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為55%的鈉鉀合金為工質(zhì)，該合金在室溫下為液態(tài)，其啟動(dòng)性能優(yōu)于純鈉、純鉀的熱管[6]；

2)采用兩段加熱方式，提高加熱爐垂直溫場(chǎng)的均勻性，上段為輔助加熱絲，下段為主加熱絲；

3)采用在熱管溫度計(jì)阱覆蓋不銹鋼吸液芯，增強(qiáng)鈉鉀合金熱管毛細(xì)吸引力，以提高鈉鉀合金熱管的傳熱性能。

4)為了減小加熱時(shí)爐子上部漏熱造成加熱爐加熱不均勻，加熱爐采用上下兩段加熱絲調(diào)整加熱爐內(nèi)的溫場(chǎng)；

5)在高精度控溫儀設(shè)定的溫度下進(jìn)行PID參數(shù)的自整定，獲取控溫參數(shù)。

圖1　鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)驗(yàn)過程中，根據(jù)需要設(shè)定鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐的溫度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后，啟動(dòng)溫控儀自整定功能，獲取該設(shè)定溫度下PID參數(shù)。由于整定后的PID參數(shù)不一定是最優(yōu)的控制參數(shù)，因此，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)，尋求合適的參數(shù)，提高溫度計(jì)阱內(nèi)溫度穩(wěn)定性。

2　溫控儀參數(shù)PID的影響

PID控制是一個(gè)傳統(tǒng)控制方法，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制效果好，所以在溫度、壓力、流量、液位等系統(tǒng)的控制中廣泛應(yīng)用。PID控制指的是比例、積分、微分控制，實(shí)現(xiàn)PID控制的裝置稱為PID控制器。PID控制器的輸入輸出關(guān)系表達(dá)式為：

式中：KP是對(duì)偏差e(t)進(jìn)行比例運(yùn)算的系數(shù)；KI是對(duì)偏差e(t)進(jìn)行積分運(yùn)算的系數(shù)；KD是對(duì)偏差e(t)進(jìn)行微分的系數(shù)。通過對(duì)KP、KI、KD三個(gè)參數(shù)值的調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到滿意的性能。

在PID控制中，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)，合適的比例系數(shù)可以加快調(diào)節(jié)速度，使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定下來(lái)。比例控制器表達(dá)式為:u1(t)=KPe(t),所以KP越大比例控制效果越好。但是，比例系數(shù)過大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)過大的超調(diào)量，并出現(xiàn)振蕩，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)比例系數(shù)過小，比例控制器的作用較弱，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度慢。因此，當(dāng)控制系統(tǒng)不穩(wěn)定的時(shí)候可適當(dāng)?shù)卦龃蠡驕p小比例系數(shù)，可以使系統(tǒng)迅速穩(wěn)定下來(lái)。KP對(duì)控制結(jié)果的影響如圖2所示。

圖3　積分控制作用

圖4　微分控制

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了研究鈉鉀合金熱管在約200℃時(shí)，熱管計(jì)阱內(nèi)溫場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性，通過實(shí)驗(yàn)確定合適的上部輔助控溫溫度、下部主控溫度分別為180℃、205℃。當(dāng)加熱爐在上述溫度穩(wěn)定后，啟動(dòng)溫控儀PID參數(shù)自整定功能，得到的P、I、D參數(shù)分別為37.68、1348.2、226.4。在該參數(shù)共同作用下，Microk-400高精度電橋測(cè)量放置在兩個(gè)溫度計(jì)阱內(nèi)高溫鉑電阻溫度計(jì)(s/n:91409、s/n:93097)的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在約200℃時(shí)，不合適的PID參數(shù)使鈉鉀合金熱管溫度計(jì)阱內(nèi)的溫度在17個(gè)小時(shí)內(nèi)的穩(wěn)定性是±35mK，其溫度穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想。

圖5　200℃不合適PID參數(shù)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步提高溫度計(jì)阱內(nèi)溫度穩(wěn)定性，在試湊法[6]的基礎(chǔ)上，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)溫控儀PID參數(shù)。調(diào)整后的P、I、D的值分別為65.26、1174.5、226.4。此時(shí)，溫度控制器可以精確地控制設(shè)定溫度，鈉鉀合金熱管溫度計(jì)阱內(nèi)溫度穩(wěn)定性顯著提高。鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐計(jì)阱7個(gè)小時(shí)的穩(wěn)定性為±4mK，如圖6所示。

圖6　200℃合適PID參數(shù)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐在200℃運(yùn)行時(shí)，在優(yōu)化后PID參數(shù)作用下，溫度計(jì)阱內(nèi)7個(gè)小時(shí)穩(wěn)定性為±4mK。因此，優(yōu)化PID參數(shù)將其穩(wěn)定性從±35mK提高到±4mK。

同理，鈉鉀合金熱管在400℃運(yùn)行時(shí)，也發(fā)現(xiàn)溫控儀PID參數(shù)會(huì)影響鈉鉀合金熱管溫度穩(wěn)定性。在自整定PID參數(shù)(P=30.66、I=838.8、D=115)控溫時(shí)，鈉鉀合金熱管溫度計(jì)阱17小時(shí)內(nèi)的穩(wěn)定性是±18mK，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖7。而通過調(diào)整后，當(dāng)P=28.63、I=666.5、D=113.1，鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐7個(gè)小時(shí)內(nèi)溫度穩(wěn)定性為±4mK，見圖8。

圖7　400℃不合適PID參數(shù)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖8　400℃合適PID參數(shù)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4　結(jié)論

理論分析了溫控儀PID參數(shù)對(duì)控溫效果的影響。在此基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)研究了溫控儀PID參數(shù)對(duì)鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐溫度穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：PID參數(shù)可顯著影響鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐的性能。在自整定的基礎(chǔ)上，通過人工調(diào)整方法，獲取合適的PID控制參數(shù)，可顯著提高鈉鉀合金熱管校準(zhǔn)爐溫度計(jì)阱內(nèi)溫度穩(wěn)定性。

[1]陳連忠.高溫?zé)峁茉跓岱雷o(hù)中應(yīng)用初探[J].前沿科學(xué)，2009,2(3):41-45

[2]曲偉.高溫及超高溫?zé)峁艿南嗳菪院蛡鳠嵝阅躘J].化工學(xué)報(bào),2011，62(S1):77-81

[3]C E Andraka，S H Goods，R W Bradshaw，J B Moreno，T A Moss，S A Jones.Na-K pool-boiler bench-scale receiver durability test.Test Results And Materials Analysis.The 29th IECEC，Monterey，CA，1994，29(6): 105-127

[4]W G Anderson，C Tarau.Variable conductance heat pipes for radioisotope stirling systems.STAIF 2008，New Mexico，2008，25(969): 679-688

[5]M G 捷曼爾，胡亞才，馮踏青，屠傳經(jīng).鈉鉀合金高溫?zé)峁苄阅茉囼?yàn)研究.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，33(4): 414-417

[6]劉玲玲.PID參數(shù)整定技術(shù)的研究及應(yīng)用[D].鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2010