CN105183039A - 一种电阻丝网反应器温度控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻丝网反应器温度控制系统，属于热工控制领域。其包括加持在电阻丝网两端的电极，还包括第一变压器、双向可控硅、可控硅触发器、温度传感器、热电偶输入模块、模拟电压输出模块、模拟电压输入模块以及控制器，双向可控硅设置在外界电压和电极之间，可控硅触发器设置在模拟电压输出模块的输出端和双向可控硅的控制端之间，模拟电压输出模块的输入端连接控制器，温度传感器一端设置在电阻丝网处，且另一端连接热电偶输入模块的输入端，热电偶输入模块的输出端连接控制器，模拟电压输入模块的输入端通过第一变压器连接外界电压，模拟电压输入模块的输出端连接控制器。本发明系统可实现精确的升温或恒温加热。

Description

一种电阻丝网反应器温度控制系统

技术领域

本发明属于固体燃料热解、气化和燃烧等热工控制技术领域，具体涉及一种电阻丝网反应器温度控制系统，用于在二次反应最小化条件下实现可变速率升温或恒温加热。

背景技术

实验室用于固体燃料热解、气化和燃烧等科学研究的反应装置有很多种，比如管式炉、流化床、反应釜等。这些装置一般采用电加热，固体燃料在这些设备中被加热的方式都是间接加热，即电流通过电热元件后使电热元件产生热量，产生热量的电热元件作为热源再加热反应腔，实验用的固体燃料样品在反应腔内部最后被加热、反应。

以上设备在加热样品方面由于反应区热惯性较大，普遍存在控温精度不高的问题。有些精密的温度控制系统和装置，用在实验室中，又存在设备昂贵、控制复杂的问题。因此，需要开发出一种适用于实验室的价格低廉、控制简单的温控系统。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电阻丝网反应器温度控制系统，其目的在于，提供一种由双向可控硅、可控硅触发器、温度传感器、热电偶输入模块、模拟电压输出模块、模拟电压输入模块以及控制器连接而成的温度控制系统，实现对可燃固定燃料的精确可变速率升温或恒温加热。

为实现上述目的，本发明提供了一种电阻丝网反应器温度控制系统，其包括加持在电阻丝网两端的电极，其特征在于，还包括第一变压器、双向可控硅、可控硅触发器、温度传感器、热电偶输入模块、模拟电压输出模块、模拟电压输入模块以及控制器，其中，

所述双向可控硅设置在外界电压和所述电极之间，用于控制所述电极电压的通断；

所述可控硅触发器设置在模拟电压输出模块的输出端和所述双向可控硅的控制端之间，用于控制所述双向可控硅的通断；

所述模拟电压输出模块的输入端连接所述控制器，该模拟电压输出模块的输出电压作为可控硅触发器的控制信号；

所述温度传感器一端设置在所述电阻丝网处，该温度传感器另一端连接所述热电偶输入模块的输入端，所述热电偶输入模块的输出端连接所述控制器；

所述模拟电压输入模块的输入端通过所述第一变压器连接外界电压，所述模拟电压输入模块的输出端连接所述控制器，该模拟电压输入模块用于采集外界电压过设定值的时间。

以上发明构思中，控制器接收热电偶输入模块和模拟电压输入模块采集到的信号，并对该信号进行实时运算分析，结合模拟电压输入模块采集的电压过设定值的时间(譬如，模拟电压输入模块采集的外界电压过0点的时间)，然后得出一个实时的电压信号，该电压信号输出至模拟电压输出模块，通过模拟电压输出模块输出至可控硅触发器，作为可控硅触发器的控制信号以控制可控硅触发器的触发时间，进而控制双向可控硅的通断时间，从而控制电极两端电压的通断，从而能控制电极两端加热功率的大小，以进行电阻丝网反应区的温度控制和调节。

进一步的，还包括载气吹扫出口，该载气吹扫出口设置所述电阻丝网下方，用于持续自下而上向所述电阻丝网吹扫冷却气体。实际工程实践中，将固体燃料样品直接置于电阻丝网上加热，再辅以冷却气体的散热，进一步结合温度控制系统控制电极的加热量，就可以实现精确控温。

进一步的，还包括第二变压器，所述第二变压器输入端连接所述双向可控硅的输出端，所述第二变压器输出端连接所述电极，该第二变压器用于调节加载至所述电极两端的电压。

进一步的，还包括上位机，该上位机连接所述控制器，用于输入控制指令、接受并显示来自控制器的温度和电压信号。

进一步的，所述电阻丝网为不锈钢金属网，优选为金属钼网。

进一步的，还包括机箱，所述机箱具有用于信号传递的线路，所述控制器、所述热电偶输入模块、所述模拟电压输出模块以及所述模拟电压输入模块均连接至所述机箱，所述热电偶输入模块、所述模拟电压输出模块以及所述模拟电压输入模块分别通过所述机箱的线路与所述控制器间进行信息传递。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、采用与电阻丝网反应区直接物理接触的温度传感器采集电阻丝网反应区的温度，采用模拟电压输入模块采集外接电压过设定值时间，综合电阻丝网的实时温度和电压设定值的时间获得双向可控硅的开关时间，通过模拟电压输出模块控制双向可控硅的开关时间，进而控制电极加载功率的大小，整体组成一套闭环反馈温度控制系统，可以精确控制反应温度和升温速率，控温精度提高到±5℃，升温速率跨度可增加为0.1℃/s～2500℃/s。

2、采用载气直接垂直吹扫电阻丝网反应区，降温及时。

3、本发明所述的电阻丝网反应器温度控制系统，采用热惯性小的不锈钢金属丝网作为电阻丝网，其升温迅速。

附图说明

图1是本发明实施例中所述的电阻丝网反应器温度控制系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-冷凝器2-电阻丝网3-电极

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例中所述的电阻丝网反应器温度控制系统的结构示意图，由图可知，其包括电阻丝网、电极、第一变压器、双向可控硅、可控硅触发器、温度传感器、热电偶输入模块、模拟电压输出模块、模拟电压输入模块、控制器、机箱、第一变压器以及PC(PC即为上位机)。

其中，电阻丝网通电后作为加热元件加热而能给电阻丝网反应区提供热量。实际工程实践中，电阻丝网两端分别由两块铜块夹持通电，加热电源采用交流电源。载气吹扫出口设置在所述电阻丝网下方(图中没有画出)，用于持续自下而上向所述电阻丝网反应区吹扫冷却气体。可根据实验气氛，选择合适载气以一定速率垂直吹扫电阻丝网反应区，使得反应区的温度能够迅速降低。电阻丝网上方可安置产物收集装置如冷凝器1等。本发明实施例中，电阻丝网整体为一块，可折叠成两层，电阻丝网整体的面积譬如为72mm*75mm的不锈钢金属丝网2，不锈钢金属丝网材质可选用304不锈钢和316不锈钢，孔径需满足250目到325目范围。

交流市电经双向可控硅调波和第二变压器变压后加载到电阻丝网反应器两端的电极上。双向可控硅型号譬如可选用MTC160A1600V以上规格，第二变压器输入端电压为220V交流市电，输出端电压为30V交流电，第二变压器功率譬如可为5000W及以上。

上位机譬如PC(personelcomputer)和下位机譬如cRIO嵌入式控制系统是温度控制的重要组成部件。cRIO嵌入式控制系统包括控制器、机箱、模拟电压输入模块、模拟电压输出模块、热电偶输入模块，其中控制器为cRIO-9022型号，机箱为NI9113型号。

上位机PC可选用目前市场主流电脑配置，要求其能够流畅运行LabVIEW2012及以上版本的LabVIEW编程平台。PC和cRIO控制器之间通过譬如CAT-5及其以上规格以太网线缆连接，以太网线缆用于传递操控命令和反应区温度及加热电压等信号。操控命令通过上位机输入，反应区温度和加热电压等信号传输至上位机，并能显示出来供工作人员识别。

cRIO嵌入式控制系统中的控制器通过插入方式连接至机箱，譬如型号为NI9201模拟电压输入模块、譬如型号为NI9263型号模拟电压输出模块以及譬如型号为NI9214热电偶输入模块也通过直接插入机箱插槽的方式连接至机箱。机箱具有用于信号传递的线路。热电偶输入模块、模拟电压输出模块以及模拟电压输入模块分别通过机箱的线路与控制器间进行信息传递。

温度传感器选用K型热电偶丝，其丝径譬如为41微米，与NI9214热电偶输入模块通过K型热电偶补偿导线连接，NI9214热电偶输入模块自带温度补偿端。温度传感器与电阻丝网直接接触，采集温度的时候需保证电阻丝网内部无电流流过。

在实际情况下，在交流电过零点的时候保持双向可控硅断开3ms时间，完全切断电阻丝网两端电流，随后立即来采集反应区温度。NI9201模拟电压输入模块与第一变压器连接，主要用来检测交流电过设定值的时间，优选为过零点时间。第一变压器主要为了隔离市电与控制器之间的直接连接，起保护控制器的作用。第一变压器输入端电压为220V，输出端电压为5V，功率可选范围譬如为30W～100W。NI9263模拟电压输出模块与可控硅触发器的信号输入端连接，通过输出0V～10V电压信号来控制可控硅触发器的触发时间，可控硅触发器的信号输出端与双向可控硅控制端连接，用来触发双向可控硅的开关时间，进而控制加载于电阻丝网反应器上的加热电压，使得电阻丝网反应区按照设定的升温速率加热或保持恒定终温。

本发明中，温度控制程序采用LabVIEW编程，温度控制算法采用经典的PID算法。cRIO-9022控制器配备了533MHz工业实时处理器，为对时间要求极高的控制应用提供更高的实时处理性能。每次实验运行过程如下：编写的LabVIEW控制程序及上位机PC接收到的命令参数全部下载到控制器中单独运行。运行中，控制器接收热电偶输入模块和模拟电压输入模块采集到的信号，采用经典PID算法对这些信号进行实时运算分析，然后得出一个实时的电压信号，通过模拟电压输出模块输出，作为可控硅触发器的控制信号。

本发明系统进行工作的过程为：

模拟电压输入模块通过不断采集第一变压器输出端的输出电压，判断交流市电譬如过0点的时刻，此时双向可控硅自动断开。温度传感器在双向可控硅断开3ms时采集温度信号，由于此时没有电流通过，可避免电极两端加载的加热电压对温度采集的影响。温度传感器将采集到的温度信号传输至热电偶输入模块。控制器接受热电偶输入模块输入的反应区实际温度信号与经计算得到的该时刻设定温度值进行比较、计算，得到一个模拟电压信号输出至模拟电压输出模块，模拟电压输出模块将该电压信号传输至可控硅触发器的控制端，控制可控硅触发器的触发时间，进而控制双向可控硅的通断时间，从而控制电极两端电压的通断，从而能控制电极两端加热功率的大小，以进行电阻丝网反应区的温度控制和调节。

实验时，可将不锈钢金属材质的电阻丝网2折叠为两层，中间夹住少量的样品，样品均匀分布在直径2cm左右的圆形区域内。电阻丝网两端用铜电极3夹紧，电流通过两端电极加载于电阻丝网上，加热实验样品。

载气从电阻丝网反应区下方快速垂直吹扫，通过电阻丝网夹持的样品，同时携带走反应区的热量和反应样品生成的挥发性物质。携带走的挥发性产物被吹扫进冷凝器1中，收集下来一部分产物。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电阻丝网反应器温度控制系统，其包括加持在电阻丝网两端的电极，其特征在于，还包括第一变压器、双向可控硅、可控硅触发器、温度传感器、热电偶输入模块、模拟电压输出模块、模拟电压输入模块以及控制器，其中，

所述双向可控硅设置在外界电压和所述电极之间，用于控制所述电极电压的通断；

所述可控硅触发器设置在模拟电压输出模块的输出端和所述双向可控硅的控制端之间，用于控制所述双向可控硅的通断；

所述模拟电压输出模块的输入端连接所述控制器，该模拟电压输出模块的输出电压作为可控硅触发器的控制信号；

所述温度传感器一端设置在所述电阻丝网处，该温度传感器另一端连接所述热电偶输入模块的输入端，所述热电偶输入模块的输出端连接所述控制器；

所述模拟电压输入模块的输入端通过所述第一变压器连接外界电压，所述模拟电压输入模块的输出端连接所述控制器，该模拟电压输入模块用于采集外界电压过设定值的时间。

2.如权利要求1所述的一种电阻丝网反应器温度控制系统，其特征在于，还包括载气吹扫出口，该载气吹扫出口设置所述电阻丝网下方，用于持续自下而上向所述电阻丝网吹扫冷却气体。

3.如权利要求1或2所述的一种电阻丝网反应器温度控制系统，其特征在于，还包括第二变压器，所述第二变压器输入端连接所述双向可控硅的输出端，所述第二变压器输出端连接所述电极，该第二变压器用于调节加载至所述电极两端的电压。

4.如权利要求3所述的一种电阻丝网反应器温度控制系统，其特征在于，还包括上位机，该上位机连接所述控制器，用于输入控制指令、接受并显示来自控制器的温度和电压信号。

5.如权利要求1或4所述的一种电阻丝网反应器温度控制系统，其特征在于，所述电阻丝网为不锈钢金属网，优选为金属钼网。

6.如权利要求1或4所述的一种电阻丝网反应器温度控制系统，其特征在于，还包括机箱，所述机箱具有用于信号传递的线路，所述控制器、所述热电偶输入模块、所述模拟电压输出模块以及所述模拟电压输入模块均连接至所述机箱，所述热电偶输入模块、所述模拟电压输出模块以及所述模拟电压输入模块分别通过所述机箱的线路与所述控制器间进行信息传递。