基于非接觸式加熱的溫控器性能和壽命測(cè)試裝置的研制

蔡永華，唐仁幸，楊昌毅

（浙江出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心，杭州 311215）

概述

在家用電器產(chǎn)品中，控溫器、限溫器和熱斷路器是家電產(chǎn)品的核心控制零部件，電熱產(chǎn)品的使用壽命除了受原材料影響外，另一個(gè)很重要的影響因素就是溫控器的性能和壽命。目前國(guó)內(nèi)對(duì)溫度敏感控制器（簡(jiǎn)稱溫控器）（包括控溫器、限溫器和熱斷路器）的評(píng)價(jià)采用了GB 14536.1-2008和GB 14536.10-2008標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)把溫控器分為I型和II型，對(duì)于I型控制器，僅要求溫控器的機(jī)械和電氣壽命，而對(duì)于II型溫控器，除了溫控器的機(jī)械和電氣壽命之外，控制器的時(shí)間常數(shù)、制造偏差、漂移、復(fù)位特性以及環(huán)境溫度變化率都在標(biāo)準(zhǔn)有相關(guān)的要求。國(guó)內(nèi)多數(shù)實(shí)驗(yàn)室的溫控器用測(cè)試設(shè)備一般都采用電熱絲或電熱管（盤）加熱作為加熱源，空氣作為冷卻源，通過控制電熱絲或電熱管（盤）的電壓來(lái)控制被加熱單元的溫度上升，通過控制風(fēng)扇的風(fēng)量來(lái)控制被控單元的溫度下降。此類裝置存在溫控器測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用存在3個(gè)不利因素。首先，這類裝置由于加熱的過程存在明顯的熱傳遞，電熱管（盤）的溫度明顯高于被控單元的溫度，系統(tǒng)存在一個(gè)明顯的溫度梯度而導(dǎo)致額外的熱慣量，進(jìn)而導(dǎo)致在溫度交替試驗(yàn)中存在明顯的溫度過沖，影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。其次，空氣作為冷卻源由于空氣屬于熱的不良導(dǎo)體，空氣的流動(dòng)帶來(lái)了很大溫度不確定性，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試系統(tǒng)溫度不均勻，產(chǎn)生不必要的環(huán)境應(yīng)力，這種環(huán)境應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致溫控器性能的額外漂移，影響溫控器耐久測(cè)試和溫控器漂移量的測(cè)定。最后，由于冷卻空氣的存在，測(cè)試系統(tǒng)存在明顯的空氣對(duì)流，與溫控器的實(shí)際工況不符，進(jìn)而影響測(cè)試結(jié)果。針對(duì)目前溫控器性能測(cè)試上存在諸多不確定因素，我們提出了一種基于非接觸式加熱溫控器測(cè)試裝置[1]。

1 非接觸式加熱溫控器測(cè)試裝置的工作原理

非接觸式加熱溫控器測(cè)試裝置如圖1所示，該裝置包括進(jìn)行樣品測(cè)試加熱的溫控器加熱測(cè)試系統(tǒng)、用于給溫控器加熱測(cè)試系統(tǒng)降溫的冷卻系統(tǒng)、對(duì)溫控器加熱測(cè)試系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)進(jìn)行直接控制的下位控制系統(tǒng)、收集測(cè)試數(shù)據(jù)的測(cè)試數(shù)據(jù)系統(tǒng)和上位控制系統(tǒng)。

溫控器加熱測(cè)試系統(tǒng)包括加熱裝置、溫控器安裝板和受熱裝置，加熱裝置通過渦流對(duì)受熱元件進(jìn)行感應(yīng)加熱，感應(yīng)加熱因受熱單元體積小，熱容低，無(wú)高溫源，系統(tǒng)熱慣性小，溫升速率易于控制，特別是可以產(chǎn)生比較大的溫度變化速率。

降溫的冷卻系統(tǒng)包括雕刻在受熱鋼板內(nèi)部的導(dǎo)熱介質(zhì)的通路、導(dǎo)管，循環(huán)泵、散熱裝置和導(dǎo)熱介質(zhì)存儲(chǔ)箱。循環(huán)泵通過變頻電機(jī)控制，可進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速控制，通過調(diào)節(jié)管路中的導(dǎo)熱介質(zhì)的量可精確控制受熱元件表面溫度。受熱元件的上表面裝有用于固定溫控器溫度敏感部分的鋁制壓板，在受熱元件和鋁質(zhì)壓板之間設(shè)置有測(cè)溫專用的鉑電阻溫度感應(yīng)探頭，用于探測(cè)溫控器敏感部分實(shí)際溫度。

后臺(tái)控制系統(tǒng)在探測(cè)鋁制壓板表面溫度后，通過特定的控制算法，驅(qū)動(dòng)感應(yīng)加熱裝置加熱鋁制壓板或者驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵冷卻鋁制壓板，達(dá)到精確控制鋁制壓板溫度的功能。

圖1 非接觸式加熱溫控器測(cè)試裝置原理圖

2 非接觸式加熱的溫控器測(cè)試裝置的實(shí)現(xiàn)

2.1 測(cè)試裝置的基本要求

根據(jù)GB 14536.10-2008有關(guān)要求，II型溫控器在測(cè)試過程中，需要測(cè)定制造偏差、漂移和壽命試驗(yàn)，而在整個(gè)壽命測(cè)試溫控器的環(huán)境溫度變化率需要加以控制，以免造成壽命試驗(yàn)后額外的溫度漂移，從而影響了溫控器測(cè)試的準(zhǔn)確性。為此，溫控器性能和壽命測(cè)試裝置應(yīng)至少具備兩項(xiàng)功能，首先能精確的控制與溫控器溫度敏感部分接觸的壓板溫度，用以測(cè)量控制器的制造偏差和漂移；其次，在進(jìn)行溫控器壽命測(cè)試過程中，溫控器溫度敏感部分接觸的壓板的溫度變化率可控，保證在壽命測(cè)試過程中系統(tǒng)不存在額外的熱應(yīng)力而導(dǎo)致額外的溫度漂移。

2.2 測(cè)試裝置的硬件實(shí)現(xiàn)

為了滿足上述兩項(xiàng)功能要求，對(duì)受熱裝置進(jìn)行特別的設(shè)計(jì)和制作，通過金屬雕刻技術(shù)，使得冷卻介質(zhì)通路均勻分在受熱裝置內(nèi)部，減少裝置工作過程中的熱應(yīng)力和溫度不均問題；感應(yīng)加熱裝置采用7級(jí)功率可調(diào)的有級(jí)調(diào)節(jié)裝置，輸出功率可在300W到2200W中的7級(jí)任意設(shè)定，根據(jù)不同的溫控器不同動(dòng)作溫度調(diào)節(jié)適當(dāng)加熱功率；冷卻媒介采用低粘度，耐高溫的有機(jī)合成材料，保證循環(huán)泵在不同運(yùn)轉(zhuǎn)速度下，冷卻介質(zhì)的流動(dòng)速度有著明顯的區(qū)別，并保證整個(gè)測(cè)試裝置能夠工作在300℃的工況，而不出現(xiàn)異常。循環(huán)泵的驅(qū)動(dòng)采用變頻器加變頻電機(jī)的控制方式，可實(shí)現(xiàn)0～60Hz無(wú)級(jí)調(diào)速控制，以控制目標(biāo)溫度為200℃為例，冷卻功率可在300W到2500W連續(xù)無(wú)級(jí)可調(diào)。溫度傳感器采用精度高于0.1℃的三端嵌入式鉑電阻。

2.3 測(cè)試裝置系統(tǒng)及控制策略

因本系統(tǒng)為溫度控制系統(tǒng)，屬于慢速、慣性系統(tǒng)，可采用臺(tái)式PC+LABVIEW軟件控制，滿足控制速度要求，感應(yīng)加熱裝置、變頻器和鉑電阻通過485專用總線經(jīng)USB和PC機(jī)相連，保證通訊的可靠性，并保證即插即用。系統(tǒng)的采樣和調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)設(shè)定為0.5s。

在溫控器的制造偏差、漂移和動(dòng)作特性的測(cè)試過程中，需要系統(tǒng)能將鋁制壓板的溫度控制在一個(gè)恒定值，根據(jù)溫控器的動(dòng)作溫度，先預(yù)設(shè)一檔合適的感應(yīng)加熱功率，在選定感應(yīng)加熱功率后，通過控制循環(huán)泵控制冷卻功率。為了能夠精確控制溫度，我們引入了優(yōu)化的PID算法——積分分離控制PID算法，該算法能使得系統(tǒng)能夠快速響應(yīng)，并減少系統(tǒng)慣性，我們注意到在一般的PID控制方式中，在開始或停止工作的瞬間，或者大幅度地給定量時(shí)，由于偏差較大，故在積分項(xiàng)的作用下，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的超調(diào)，為此，可以采用積分分離手段，即在被控制量開始跟蹤時(shí)，取消積分作用，直到被控制量接近新的給定值時(shí)，才可以在PID算式中，引入如下的算法邏輯功能：

式中，Ki——引入的邏輯系數(shù)。

應(yīng)用積分分離方法后，顯著降低了被控制量的超調(diào)量，并縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。通過PID參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，使得鋁制壓板實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏差小于0.1k，溫度波動(dòng)度小于0.2K。

下圖2為積分分離控制PID算法在LABVIEW軟件里的實(shí)現(xiàn)。

圖2 LABVIEW 軟件中的積分分離控制PID 算法

在溫控器壽命測(cè)試過程中，需要鋁制壓板的溫度在溫控器動(dòng)作溫度區(qū)間內(nèi)以一定的溫度變化率來(lái)回做交變，例如對(duì)于設(shè)定值為190℃的溫控器，若其復(fù)位溫度為170攝氏度，一般要求鋁制壓板的應(yīng)在160～200℃之間來(lái)回按照特定的變化率交變。在該項(xiàng)壽命測(cè)試中，根據(jù)實(shí)際給定升溫速率在300～2200W之間選擇一檔合適的加熱功率，并通過合適的循環(huán)泵速度即合適的冷卻介質(zhì)的流量補(bǔ)償升溫速率到給定值。在降溫過程中，為了節(jié)能一般要求感應(yīng)加熱停止工作，調(diào)節(jié)循環(huán)泵至適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速使降溫速率控制到給定值，對(duì)于動(dòng)作溫度大于250℃的溫控器，可適當(dāng)?shù)拈_啟小功率加熱作為補(bǔ)償，使得降溫速率穩(wěn)定可控。

3 測(cè)試裝置運(yùn)行特性及結(jié)果

按照上述所述的原理、硬件和控制系統(tǒng)我們?cè)囍屏藴乜仄鳒y(cè)試裝置，并在150℃和180℃對(duì)測(cè)試裝置進(jìn)行測(cè)定，結(jié)論如下：

1）在溫控器性能測(cè)試控制中，鋁制壓板在系統(tǒng)控制下能快速的相應(yīng)到設(shè)定溫度，誤差小于0.1K，波動(dòng)度小于0.2K。系統(tǒng)的控制精度滿足溫控器性能測(cè)試需要。如圖3所示。

2）在溫控器壽命測(cè)試控制中，鋁制壓板在系統(tǒng)控制下升溫變化率和降溫變化率可在0～2K/s之間任意設(shè)定，且系統(tǒng)在溫控器操動(dòng)期間保持線性。符合壽命試驗(yàn)期間溫度變化率可設(shè)定的要求。如圖4所示。

圖3a 設(shè)定溫度150℃系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖3b 設(shè)定溫度180℃系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖4a 控制溫度為150℃，升降溫速率為2K/s 的系統(tǒng)工作曲線

圖4b 控制溫度為180℃，升降溫速率為2K/s 的系統(tǒng)工作曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于感應(yīng)加熱的溫控器性能和壽命測(cè)試方法及裝置，經(jīng)實(shí)踐證明該方法可行有效，該系統(tǒng)具有熱慣性小、控制靈活、快速和精度高的特點(diǎn)，能夠滿足GB 14536.10-2008 I和II型溫控器測(cè)試要求，測(cè)試過程中系統(tǒng)的不確定度和熱應(yīng)力小，能夠滿足對(duì)高性能溫控器壽命和性能評(píng)價(jià)要求，可適用于各檢測(cè)機(jī)構(gòu)和廣大溫控器廠家評(píng)價(jià)溫控器性能和壽命。

[1]浙江出入境檢驗(yàn)檢疫局檢驗(yàn)檢疫技術(shù)中心.非接觸式加熱的溫控器性能測(cè)試裝置 :中國(guó)專利, ZL 2012 2 0232160.5[P]. 2013.01.

[2]GB 14536.1-2008,家用和類似用途電自動(dòng)控制器 第1 部分：通用要求[S].

[3]GB 14536.10-2008,家用和類似用途電自動(dòng)控制器 溫度敏感控制器的特殊要求[S].