CN102591381A - 万能材料试验机加热保温装置及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种万能材料试验机加热保温装置及其温度控制方法，所述加热保温装置包括加热保温机构，所述加热保温机构包括加热保温筒，试验机的上、下垫块及其两者之间夹持材料的模具或夹具置于加热保温筒的加热保温腔内，所述加热保温筒上开设有加热保温腔与外界相通的通风口，所述加热保温腔内设有感受不同位置温度数值的温度传感器；所述加热保温机构还包括接收温度传感器信号并对加热保温筒进行温度控制和调节的温度控制器。所述温度控制器为PLC可编程控制器，所述温度控制器的温度控制方法采用模糊PID控制算法。本发明具有体积小，能耗低，使用安全、方便，加热保温精度高等特点。

Description

万能材料试验机加热保温装置及其温度控制方法

(一)技术领域：

本发明涉及材料试验机，具体为一种万能材料试验机加热保温装置及其温度控制方法。

(二)背景技术：

随着各行业的发展对高性能复合材料的需求不断加大，以高性能环氧树脂为基体的复合材料越来越受到人们的关注。由于碳纤维环氧树脂复合材料具有高强度、耐高温、较高的韧性、可加工性、耐损伤性以及较低的日常维护费等优点，在家用电器、汽车工业、航空航天、国防等领域得到了广泛应用。

对复合材料的纵横向有效弹性模量和破坏强度进行测定的试验较多，但是环氧树脂复合材料越来越多地应用于激光防御、高温保护等具有热源的环境中，而且又由多种组分构成，当组分间热膨胀系数差异较大时，即使温度变化较小，也会在基体中产生很大的微观热应力，所以有必要对复合材料在高温下的力学性能进行测试与理论分析。同样，对聚丙交酯-乙交酯(PLGA)纤维成型压力与温度对材料的力学性能的影响，铝合金和碳纤维/环氧树脂复合材料在低温、室温及中温下的力学性能等研究都需要一各具有加热保温的试验装置来保证试验的进行。

然而目前国内应用于该类实验的加热保温装置很少，甚至几乎没有，很多对于温度对材料性能影响的研究基本只能进行理论分析和仿真实验，由于缺少必要的加热保温装置而无法进行实际的实验验证。

(三)发明内容：

针对万能材料试验机的不足之处，本发明的目的在于提出一种适用于万能材料试验机使用的加热保温装置，该加热保温装置具有体积小、保温性能好、易于使用、温度控制精度高、可以分段设置温度参数及时间等特点。

能够实现上述目的的万能材料试验机加热保温装置，包括加热保温机构，所不同的是所述加热保温机构包括加热保温筒，试验机的上、下垫块及其两垫块之间夹持材料的模具或夹具置于加热保温筒的加热保温腔内，所述加热保温筒上开设有加热保温腔与外界相通的通风口，所述加热保温腔内设有感受不同位置温度数值的温度传感器；所述加热保温机构还包括接收温度传感器信号并对加热保温筒进行温度控制和调节的温度控制器。

所述温度控制器为通过接口与微型计算机和执行机构连接的PLC可编程控制器，所述PLC可编程控制器包括CPU中央处理器、IO输入和输出模块、温度采集A/D模块、控制输出D/A模块。

温度采集A/D模块通过温度传感器采集到加热保温腔内各点的温度，通过A/D转换后将模拟量变成数字量，PLC可编程控制器将温度采集A/D模块中的温度数据读出，并转换成温度值，根据控制规则，将控制参数发送给控制输出D/A模块，D/A模块将数字量转换成模拟量来控制执行机构，从而控制加热保温筒的工作电压及电流和控制通风口外风泵的启闭，从而达到温度控制的目的。

所述微型计算机作为上位机可以对温度控制器进行控制，可以通过分段设置加热保温的时间、温度等参数，将温度曲线与设置曲线进行比较，记录保存加热过程中的各个参数，为试验提供可靠依据。

所述温度控制器的温度控制方法可以采用模糊PID控制算法，模糊PID控制的程序存储在PLC可编程控制器中。

所述模糊PID控制算法过程为：通过温度传感器采样获得加热器的温度的精确值，采样值与设定值进行比较，得到两者的误差；对误差求微分，即在一个A/D采样周期内求误差的变化Δe，求得误差变化率ec(de/dt)；将前面所得的误差及误差变化率进行模糊化，变成模糊变量；根据专家的知识和现场操作人员的经验制订相应的控制策略即控制规则，作为模糊推理的依据。将模糊量作为模糊推理的输入，在由模糊量和模糊规则，根据推理合成规则进行模糊推理，得到模糊控制量；将模糊控制量转变成精确的输出控制量，并将输出控制量作用于控制执行。

为了测得不同位置的温度为控制提供精确的参考温度，所述温度传感器至少设置为四个，分别布置于加热保温腔的上部、下部、内壁及模具/夹具表面。所述加热保温筒的一种结构包括内层发热体和外层保温层。

所述发热体为陶瓷发热圈。

本发明的优点：

1、本发明万能材料试验机加热保温装置采用陶瓷发热圈，该加热圈功率高，保温好，传热快且均匀，高温不变形不易老化，结构简单。

2、本发明万能材料试验机加热保温装置采用多点温度采集方式，保证采集到的温度全面、可靠，利用多点温度之间的关系，可以更加方便地推算出各点的传热情况，从而制定精确的控制规则。

3、本发明万能材料试验机加热保温装置采用模糊PID控制器，温度控制系统能够根据设定温度自适应的调整控制参数。

4、本发明万能材料试验机加热保温装置设置有通风口，可以通过从通风口进热风或者冷风来对温度进行微调，避免了传统的超调情况下依靠保温腔向外的热传递和热辐射来散热，从而使得温度调节反应更加敏捷和快速。

5、本发明万能材料试验机加热保温装置可以通过上位机软件对控制器进行控制，可以通过软件分段设置加热保温的时间、温度等参数，将温度曲线与设置曲线进行比较，记录保存加热过程中的各个参数，为科学研究提供可靠依据。

综上，本发明万能材料试验机加热保温装置具有结构简单、控制精度高、保温性能好、使用方便等特点。

(四)附图说明：

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明温度控制方法原理框图。

图3为图2中温度控制采用的模糊PID控制算法框图。

图号标识：1、上垫块；2、下垫块；3、模具或夹具；4、通风口；5、温度传感器；6、发热体；7、外层保温层；8、隔热垫；9、保温绵；10、传感器及电源接口。

(五)具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

如图1所示，本发明万能材料试验机加热保温装置包括加热保温筒以及接收加热保温筒内温度传感器5信号并对加热保温筒进行温度控制和调节的温度控制器。所述加热保温筒的底部通过隔热垫8座落在试验机的下垫块2法兰上(下垫块2通过法兰与底座安装)，加热保温筒的底部中心孔与下垫块2的柱体密封配合，加热保温筒的顶部中心孔与上垫块1的柱体间隙配合(上垫块1通过法兰安装于横梁上)，模具或夹具3安装于上、下垫块1、2之间并处于加热保温筒的加热保温腔内。

所述加热保温筒由内层发热体6和外层保温层7构成，所述外层保温层7用内、外不锈钢壳制成，其间充满保温绵9，所述发热体6采用陶瓷发热圈(采用陶瓷条穿丝方式，功率比普通的要高0.5～1.5倍)，陶瓷发热圈布置于里层不锈钢壳壁上；所述加热保温腔内设有四个温度传感器5，分别设于里层不锈钢壳顶部和底部、陶瓷发热圈上和模具或夹具3表面；所述外层保温层7的上部开设有横贯里、保温绵9和外层不锈钢壳的通风口4(通风口4外接风泵，通风口用于从外部向加热保温腔内吹热风或者冷风，对加热保温腔进行加热和冷却降温)，外层保温层7的下部设置传感器及电源接口10，如图1所示。

所述温度控制器的主体为PLC可编程控制器，所述PLC可编程控制器包括CPU中央处理器、IO输入和输出模块、温度采集A/D模块和控制输出D/A模块，所述PLC可编程控制器通过接口分别与微型计算机和执行机构连接，其控制原理如图2所示：温度采集A/D模块通过温度传感器5采集到加热保温腔内各点的温度，通过A/D转换后将模拟量变成数字量，PLC可编程控制器将A/D模块中的温度数据读出，并转换成温度值，根据控制规则，将控制参数发送给控制输出D/A模块，D/A模块将数字量转换成模拟量来控制执行机构，从而控制发热体6的工作电压及电流及风泵的启闭，从而达到温度控制的目的。

所述微型计算机(作为上位机)读取PLC可编程控制器的各个参数并显示出来，同时通过在微型计算机上对加热时间、保温时间等进行设定，可以实现分段加热及分段保温，并将试样的温度曲线显示出来，可以直观的看到试样的温度曲线与设定的温度曲线之间重合情况，从而了解加热保温装置的控制效果。

可以将模糊PID控制的程序存储在PLC可编程控制器中，使温度控制器的温度控制方法采用模糊PID控制算法，其控制算法框图见图3，具体过程如下：通过温度传感器5采样获得发热6的精确温度值，采样值与设定值进行比较，得到两者的误差；对误差求微分，即在一个A/D采样周期内求误差的变化Δe，求得误差变化率ec(de/dt)；将前面所得的误差及误差变化率进行模糊化，变成模糊变量；根据专家的知识和现场操作人员的经验制订相应的控制策略即控制规则，作为模糊推理的依据。将模糊量作为模糊推理的输入，再由模糊量和模糊规则，根据推理合成规则进行模糊推理，得到模糊控制量；将模糊控制量转变成精确的输出控制量，并将输出控制量作用于控制对象。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.万能材料试验机加热保温装置，包括加热保温机构，其特征在于：所述加热保温机构包括加热保温筒，试验机的上、下垫块(1、2)及其两垫块之间夹持材料的模具或夹具(3)置于加热保温筒的加热保温腔内，所述加热保温筒上开设有加热保温腔与外界相通的通风口(4)，所述加热保温腔体内设有感受不同位置温度数值的温度传感器(5)；所述加热保温机构还包括接收温度传感器(5)信号并对加热保温筒进行温度控制和调节的温度控制器。

2.根据权利要求1所述的万能材料试验机加热保温装置，其特征在于：所述温度控制器为通过接口与微型计算机和执行机构连接的PLC可编程控制器，所述PLC可编程控制器包括CPU中央处理器、IO输入和输出模块、温度采集A/D模块和控制输出D/A模块。

3.根据权利要求2所述的万能材料试验机加热保温装置，其特征在于：所述温度控制器的温度控制方法采用模糊PID控制算法，模糊PID控制的程序存储在PLC可编程控制器中。

4.根据权利要求3所述的万能材料试验机加热保温装置，其特征在于所述模糊PID控制算法过程为：通过温度传感器采样获得加热器的温度的精确值，采样值与设定值进行比较，得到两者的误差；对误差求微分，即在一个A/D采样周期内求误差的变化Δe，求得误差变化率ec(de/dt)；将前面所得的误差及误差变化率进行模糊化，变成模糊变量；根据专家的知识和现场操作人员的经验制订相应的控制策略即控制规则，作为模糊推理的依据。将模糊量作为模糊推理的输入，在由模糊量和模糊规则，根据推理合成规则进行模糊推理，得到模糊控制量；将模糊控制量转变成精确的输出控制量，并将输出控制量作用于控制对象。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的万能材料试验机加热保温装置，其特征在于：所述温度传感器(5)至少设为四个，四个温度传感器(5)分别布置于加热保温腔的上部、下部、内壁及模具/夹具(3)表面。

6.根据权利要求1～4中任意一项所述的万能材料试验机加热保温装置，其特征在于：所述加热保温筒包括内层发热体(6)和外层保温层(7)。

7.根据权利要求6所述的万能材料试验机加热保温装置，其特征在于：所述发热体(6)为陶瓷发热圈。

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