CN201491305U - 一种电磁加热精确温控系统 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种电磁加热精确温控系统,包括电磁加热温控装置、电磁线圈、被加热体以及测温传感器,其中,所述电磁加热温控装置输出交流高频电流至所述电磁线圈;所述电磁线圈用于通过电流产生磁场在被加热体上产生涡流,从而实现电磁线圈对被加热体进行电磁加热;所述测温传感器,配置在被加热体上与所述电磁加热温控装置相连,用于探测被加热体的温度,所述电磁加热温控装置采集所述测温传感器测得的温度值,并根据该测温值调整交流高频电流的输出,所述调整包括调整输出交流高频电流的大小或调整通断。该电磁加热精确温控系统,具有热惯性小、温控速度快、节能环保、用户操控便捷的特点。

Description

一种电磁加热精确温控系统
技术领域
本实用新型涉及采用电磁加热的温度控制技术,尤其涉及一种电磁加热精确温控系统。
背景技术
对于电炉、坩埚、衬底加热台、注塑机或挤压成型机等涉及需要加热的设备而言,为保证最优的工作性能和产品品质,往往需要进行温度控制,加热的同时将温度保持在设定值或在一个较小的浮动范围内。传统的加热方式通常采用阻性的电热丝或电热线圈对铸铝、云母、或陶瓷等材质的加热器进行加热,通过这些加热器进行热传导将热能传导至被加热物体或材料,因上述材质具有良好的导热保温性能从而可以实现加热功能。
但是由于热传导方式加热会存在较大的热惯性,尤其是在温度超过额定值后,往往还需要额外利用冷却设备来使温度尽快恢复到额定值,这就造成无法实现精确温控的结果。此外,普通加热方式对电网的冲击很大,普通加热器只要通电电流就会到达最大值,在功率较大的情况下,会降低变压器及电缆的使用寿命。
因而,对于此类的既需要加热又需要将加热温度进行精确控制的产品,如何保证精确温控则成为一个急需解决的问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于,提供一种电磁加热精确温控系统,用于对被加热体进行加热并且能进行精确温度控制。
为解决上述技术问题,本实用新型提供一种电磁加热精确温控系统,包括电磁加热温控装置、电磁线圈、被加热体以及测温传感器,其中:
所述电磁加热温控装置输出交流高频电流至所述电磁线圈;
所述电磁线圈用于通过电流产生磁场在被加热体上产生涡流,从而实现电磁线圈对被加热体进行电磁加热;
所述测温传感器,配置在被加热体上与所述电磁加热温控装置相连,用于探测被加热体的温度,所述电磁加热温控装置采集所述测温传感器测得的温度值,并根据该测温值调整交流高频电流的输出,所述调整包括调整输出交流高频电流的大小或调整通断。
进一步地,所述电磁加热温控装置包括:一个微处理器模块MCU、一个温度检测模块、交流高频输出模块、AC/DC交直流转换电路模块、以及电源,其中:
所述电源,用于为所述电磁加热温控装置提供电能,将输入的交流电输出至所述AC/DC交直流转换电路模块转换为直流电;
所述交流高频输出模块,在所述微处理器模块MCU控制下,将直流电转换为电磁加热所需的交流高频电流输出至所述电磁线圈;
所述温度检测模块与被加热体上的测温传感器相连接,用于检测获得测温传感器的测温值,并将该测温值反馈给所述微处理器模块MCU;
所述微处理器模块MCU根据所接收的测温值,控制调整所述交流高频输出模块的输出电流大小,或者根据需要调整是否停止或启动输出交流高频电流。
进一步地,所述电磁线圈,是采用耐高温金属线材绕制而成,材料是在电磁感应下易于产生涡流生热的金属线材。
进一步地,所述电源输入的交流电为220伏50赫兹的交流市电;所述交流高频输出模块,对直流电进行转换后的高频交流电为18KHz至30KHz的高频交流电。
进一步地,所述交流高频输出模块是脉冲频率调制PFM控制电路。
进一步地,所述微处理器模块MCU根据所接收的测温值,控制调整所述交流高频输出模块的输出电流大小时,采用直接调整交流高频输出模块的交流高频输出电压来实现,或采用直接调整电源的阻值配合AC/DC交流直流转换模块来实现。
进一步地,所述微处理器模块MCU根据所接收的测温值,控制调整所述交流高频输出模块的输出电流大小,实现温度控制时,采用比例-积分-微分控制器PID方式,或者采用自整定方式进行温度控制。
进一步地,所述电磁加热温控装置进一步还包括:
触摸屏,用于供用户通过触摸屏对整个加热温控系统进行控制,用户通过界面输入控制参数,查看当前加热温度;
可编程计算机控制器PCC,用于将用户通过触摸屏输入的控制信息输出至所述微处理器模块MCU,实现用户对整个温控系统的控制。
进一步地,所述触摸屏和可编程计算机控制器PPC配置有一个直流电源模块,输出24V的直流电对触摸屏和PPC模块供电。
进一步地,所述电磁加热温控装置进一步还包括:告警电路,当温度值达到预设告警条件时,对用户进行告警提示。
进一步地,所述电磁加热精确温控装置,在采用自整定方式进行温度控制时,在自整定开始时,预先将PID的采样时间设为0;输入滤波常数默认值为0%;微分增益默认值为50%。
本实用新型的电磁加热精确温控系统,采用电磁线圈对被加热体进行加热,克服了传统加热器热惯性较大不易控制加热的缺陷,并且提供了测温传感器实时监测加热温度,在计算出控制量后,采用自整定和PID结合的控制过程,自整定开始后,可快速将温度整定后趋向于设定温度。
附图说明
图1是电磁加热温控系统的示意图;
图2是电磁加热温控系统的一个具体实施例的示意图;
图3是整个电磁加热精准温控系统的总流程图;
图4是图1所示电磁加热温控系统的电源电路示意图;
图5是A/D转换的工作原理图;
图6是A/D转换电路的结构图;
图7是自整定模式的流程图;
图8是图7中PID分支的工作原理图;
图9是本发明的温控系统进行自整定模式时的温控结果示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚,以下结合附图对本实用新型作进一步地详细说明。
如图1所示,显示了该电磁加热精确温控系统的组成示意图,包括电磁加热温控装置以及电磁线圈和被加热体,还包括被加热体上的测温传感器,电磁加热温控装置输出交流高频电流至所述电磁线圈,电磁线圈用于通过电流产生磁场在被加热体上产生涡流,从而实现电磁线圈对被加热体进行电磁加热,所述测温传感器探测被加热体的温度,所述电磁加热温控装置采集所述测温传感器测得的温度值,并根据该测温值调整交流高频电流的输出,所述调整包括调整输出交流高频电流的大小或调整通断。
如图1所示,所述电磁加热温控装置,包括一个微处理器模块MCU,一个温度检测模块,交流高频输出模块,AC/DC转换电路模块,电源。其中:
所述电源用于为所述电磁加热温控装置提供电能,市电从电源输入后,输出至所述AC/DC转换电路模块转换为直流电,直流电输出至交流高频输出模块;
所述交流高频输出模块在微处理器模块MCU控制下,将直流电转换为电磁加热所需的交流高频电流输出至所述电磁线圈。
所述温度检测模块与被加热体上的测温传感器相连接,用于检测获得测温传感器的测温值,并将该测温值反馈给所述微处理器模块MCU。所述微处理器模块MCU根据所接收的测温值,控制调整所述交流高频输出模块的输出电流大小,或者根据需要调整是否停止或启动输出交流高频电流。
所述微处理器模块MCU作为整个电磁加热系统的控制核心,来对整个加热系统进行加热控制,其中配置有用于精确温度控制的软件系统。
所述电磁线圈,可以采用耐高温金属线材绕制而成,根据设备大小加热面积来确定。所述测温传感器,配置的位置在每一区加热体的中心位置,跟加热体接触。被加热体,用于在电磁线圈通过高频交流时感应生热,材料是在电磁感应下易于产生涡流生热的金属材料,例如铁材料或钢材料或者它们各自的合金材料。
电磁加热精确温控系统进入正常工作后,在电磁加热温控装置的控制下,根据反馈得到的测量温度调整高频电流来调整改变线圈加热,进入测温-加热---测温---加热或停加热的这种实时调整工作状态。
如图2所示,给出了基于图1所示的电磁加热精确温控系统的一个具体实施例。
图2所示的实施例中,被加热体上配置有3个电磁线圈用于对被加热体不同部分进行电磁加热,被加热体的每个电磁线圈加热部位配置有一个测温传感器,此处测温传感器为PT100。所述电源部分采用220伏50赫兹的交流市电电源,将市电输入至由MCU构成的微电脑加热控制器中,在微电脑加热控制器控制下,将市电进行AC/DC(交流/直流)转换为直流后,再将直流利用交流高频输出模块转换为18KHz的高频交流电压输入至多个电磁线圈中,用于对被加热体进行加热。该实施例中,还包括一个用户控制界面,即触摸屏,用于供用户通过触摸屏对整个加热温控系统进行控制,用户可通过界面输入控制参数,例如设定的温度值或者通过触摸屏启动或停止加热,用户还可通过触摸屏查看当前加热温度。用户通过触摸屏输入的控制信息(包含温度控制指令和设定温度值信息)通过一个PCC(programmingcomputer controller)可编程计算机控制器模块输出至所述微电脑加热控制器(即对应图1所示的微处理器模块MCU),从而实现用户对整个温控系统的控制。所述触摸屏和PPC可编程计算机控制器模块配置有一个直流电源模块,输出24V的直流电对触摸屏和PPC模块供电。
如图3所示,显示了整个电磁加热温控系统的工作原理图。
首先,电磁加热温控装置通过内部AC/DC转换电路(此处可以为整流滤波电路)将220KV,50Hz的交流电变成直流电;再经过PFM(脉冲频率调制,Pulse Frequency Modulation)控制电路(即图1所示的交流高频输出模块)将直流电转换成18-30KHz高频电压;高速变化的电流通过电磁线圈会根据材料不同,产生高速变化的不同波长磁场,当磁场内的磁力线通过被加热金属物体时,会在被加热金属物体内产生无数的小涡流,从而使被加热金属物体本身高速发热。在加热过程中,测量被加热体的温度值,进行温度控制的温控模块(即图1所示的MCU模块)根据被测温度调整PFM(脉冲频率调制,Pulse Frequency Modulation)控制电路输出的交流高频加热电流大小,还可预设一下告警条件,当温度值达到告警条件时,还可对用户进行告警提示。MCU进行温度控制可以经过比例(Proportion)-积分(Integral)-微分(Derivative)控制器PID进行温度控制,或经过自整定进行温度控制。
如图4所示,给出了电磁加热精确温控系统的图1所示的电源部分的电路示意图.该电源通过阻值的调整来适应温控系统对电源要求。即调整交流高频输出时,可以对交流高频输出模块进行调整来实现,也可以再MCU模块控制下,通过调整将市电转换为直流电的电源的阻值来实现。具体采用上述哪种调整方式,可以根据需要来选择。
图1所示微处理器MCU模块用于主要控制温度调整,为核心温控模块。图5和图6是MCU模块中的一个A/D转换电路的工作原理及结构示意图。该A/D转换电路将电源提供的电流转换成数字信号,再根据控制算法进行计算,输出控制量。图6所示的双向可控硅采用移相的方法进行触发,过零检测电路检测电源A相电压的过零点,向温控系统中MCU控制模块发出中断信号,从而启动计时器工作。根据控制量进行计数,到零后由接口芯片发出触发信号。触发电路据此发出触发脉冲,进而控制可控硅的导通,调控设备的温度。在采样周期到时,采集温度数据,根据控制算法算出控制量;同时,检测电源A相的过零信号;A相过零,则引起中断,进行可控硅触发移相处理。
如图7所示,显示了PID控制的流程图。
首先运行主程序,进行数据预置;
判断是否到达采样时间,若是则进一步判断是否进入自整定程序,若否则直接结束调整;
判断是否进入自整定程序,若是则执行自整定程序;执行自整定程序已结束,则更新PID参数重新返回判断是否需进行自整定,若尚未结束,则进一步判断是否已完成调整,若未完成,则重新返回判断采样时间是否到时,若已完成则结束。
判断不进入自整定程序时,则进入PID支路,进行比例积分未分处理,之后判断是否已完成调整,若未完成,则重新返回判断采样时间是否到时,若已完成则结束。
本发明具有如下两个特点:
1、输出可以是数据形式D,也可以是开关量形式Y,在编程时可以自由选择,如图6所示。
2、通过自整定可得到最佳的采样时间及PID参数值,提高了控制精度。如图7、图8所示。图8详细解释了图7中的PID.。图9是控温精准的结果。
如图8所示,显示了模拟PID控制系统原理图。图8中,PID的控制规律如下:
e(t)=r(t)-c(t)
u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+TDde(t)/dt]
其中,e(t)为偏差,r(t)为给定值,c(t)为实际输出值,u(t)为控制量;Kp、Ti、TD分别为比例系数、积分时间系数、微分时间系数。
运算结果:
1.模拟量输出:MV=u(t)的数字量形式。
2.开关点输出:Y=T*[MV/PID输出上限]。Y为控制周期内输出点接通时间。随着测定值PV的增加操作输出值MV减少,用于加热控制。
所述电磁加热精确温控系统,在工作时,具有自整定模式。用户在需要时,可以选用自整定模式,使系统自动寻找最佳的控制参数(采样时间、比例增益Kp、积分时间Ti、微分时间TD)。在自整定开始的时候,用户预先将PID的控制周期(采样时间)设为0。在自整定前,当前测定温度与环境温度必须一致,才能达到最佳整定效果。输入滤波常数,具有使采样值变化平滑的效果,其默认值为0%,表示不滤波。微分增益,属于低通滤波环节,具有缓和输出值急剧变化的效果,其默认值为50%,增大该微分增益值将使缓和作用更为明显,一般用户无需改动。
自整定过程中对温度调整的示意图,如图9所示。其中,+DIFF为控制温度上限,-DIFF为控制温度下限。自整定开始后,温度按照曲线所示变化,完成整定后温度趋向于设定温度,再次启动加热时不需再进行整定。
以上所述仅为本实用新型的实施例而已,并不用于限制本实用新型,对于本领域的技术人员来说,本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁加热精确温控系统,其特征在于,包括电磁加热温控装置、电磁线圈、被加热体以及测温传感器,其中:
所述电磁加热温控装置输出交流高频电流至所述电磁线圈;
所述电磁线圈用于通过电流产生磁场在被加热体上产生涡流,从而实现电磁线圈对被加热体进行电磁加热;
所述测温传感器,配置在被加热体上与所述电磁加热温控装置相连,用于探测被加热体的温度,所述电磁加热温控装置采集所述测温传感器测得的温度值,并根据该测温值调整交流高频电流的输出,所述调整包括调整输出交流高频电流的大小或调整通断。
2.如权利要求1所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,所述电磁加热温控装置包括:一个微处理器模块MCU、一个温度检测模块、交流高频输出模块、AC/DC交直流转换电路模块、以及电源,其中:
所述电源,用于为所述电磁加热温控装置提供电能,将输入的交流电输出至所述AC/DC交直流转换电路模块转换为直流电;
所述交流高频输出模块,在所述微处理器模块MCU控制下,将直流电转换为电磁加热所需的交流高频电流输出至所述电磁线圈;
所述温度检测模块与被加热体上的测温传感器相连接,用于检测获得测温传感器的测温值,并将该测温值反馈给所述微处理器模块MCU;
所述微处理器模块MCU根据所接收的测温值,控制调整所述交流高频输出模块的输出电流大小,或者根据需要调整是否停止或启动输出交流高频电流。
3.如权利要求1或2所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述电磁线圈,是采用耐高温金属线材绕制而成,材料是在电磁感应下易于产生涡流生热的金属线材。
4.如权利要求2所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述电源输入的交流电为220伏50赫兹的交流市电;
所述交流高频输出模块,对直流电进行转换后的高频交流电为18KHz至30KHz的高频交流电。
5.如权利要求2所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述交流高频输出模块是脉冲频率调制PFM控制电路。
6.如权利要求2所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述微处理器模块MCU根据所接收的测温值,控制调整所述交流高频输出模块的输出电流大小时,采用直接调整交流高频输出模块的交流高频输出电压来实现,或采用直接调整电源的阻值配合AC/DC交流直流转换模块来实现。
7.如权利要求2所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述微处理器模块MCU根据所接收的测温值,控制调整所述交流高频输出模块的输出电流大小,实现温度控制时,采用比例-积分-微分控制器PID方式,或者采用自整定方式进行温度控制。
8.如权利要求2所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述电磁加热温控装置进一步还包括:
触摸屏,用于供用户通过触摸屏对整个加热温控系统进行控制,用户通过界面输入控制参数,查看当前加热温度;
可编程计算机控制器PCC,用于将用户通过触摸屏输入的控制信息输出至所述微处理器模块MCU,实现用户对整个温控系统的控制;
告警电路,当温度值达到预设告警条件时,对用户进行告警提示。
9.如权利要求8所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述触摸屏和可编程计算机控制器PPC配置有一个直流电源模块,输出24V的直流电对触摸屏和PPC模块供电。
10.如权利要求7所述的电磁加热精确温控系统,其特征在于,
所述电磁加热精确温控装置,在采用自整定方式进行温度控制时,在自整定开始时,预先将PID的采样时间设为0;输入滤波常数默认值为0%;微分增益默认值为50%。
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