氧化铝焙烧温度控制系统课程设计-精品

第一篇：氧化铝焙烧温度控制系统课程设计-精品

氧化铝焙烧温度控制系统课程设计

摘要：氧化铝是电解铝生产的主要原料，针对我国矿石特点，我国氧化铝的生产工艺主要采用的是拜尔法和烧结法以及混联法，在拜尔法中焙烧工序是氧化铝生产必不可少的一个过程，并且是整个氧化铝生产的最后一道工序，该生产过程的主要任务是将来自分解或平盘的带有附着水的氢氧化铝物质在焙烧炉中高温煅烧，脱除附着水和结晶水，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。氧化铝焙烧的主要工艺参数是灼烧温度．灼烧温度的高低与稳定与否直接决定着氧化铝的出厂质量，所以稳定控制氧化铝灼烧温度是保证氧化铝生产质量 的主要途径。本文以氧化铝焙烧生产过程控制系统为背景，开展了氧化铝焙烧生产过程控制策略的研究和控制系统的设计以及器件的选型。

关键词：氧化铝焙烧；器件选型；串级控制系统；PID参数整定

一、氧化铝生产工艺

生产氧化铝的方法大致可分为四类：碱法、酸法、酸碱联合法与热法。目前工业上几乎全部是采用碱法生产。碱法有拜耳法、烧结法及拜耳烧结联合法等多种流程。

目前，我国氧化铝工业采用的生产方法有烧结法，混联法和拜耳法三种，其中烧结法占20.2％，混联法占69.4％，拜耳法占10.4％。虽然烧结法的装备水平和技术水平在今年来有所提高，但是我国的烧结技术仍处于较低水平。而由于拜耳法和烧结混合法组成的混联法，不仅由于增加了烧结系统而使整个流程复杂，投资增大，更由于烧结法系统装备水平和技术水平不高，使得氧化铝生产的能耗增大，成本增高，降低我国氧化铝产品在世界市场上的竞争力。拜耳法比较简单，能耗小，产品质量好，处理高品位铝土矿石，产品成品也低。目前全世界90％的氧化铝是用拜耳法生产的。

拜耳法的原理是基于氧化铝在苛性碱溶液中溶解度的变化以及过氧化钠浓度和温度的关系。高温和高浓度的铝酸钠溶液处于比较稳定的状态，而在温度和浓度降低时则自发分解析出氢氧化铝沉淀，拜耳法便是建立在这样性质的基础上的。

下面两项主要反映是这一方法的基础：

Al2O3xH2O2NaOH(3x)H2O2NaAl(OH)4

NaAl(OH)4Al(OH)3NaOH

前一反映是在用循环的铝酸钠碱溶液溶出铝土矿时进行的。铝土矿中所含的一水和三水氧化铝在一定条件下以铝酸钠形态进入溶液。后一反映是在另一条件下发生的析出氢氧化铝沉淀的水解反应。铝酸钠溶液在95-100度不致水解的稳定性可以用来从其中分离赤泥，然后使溶液冷却，转变为不稳定状态，以析出氢氧化铝。

拜耳法生产过程简介：原矿经选矿、原矿浆磨制、溶出与脱硅、赤泥分离与精制、晶种分解、氢氧化铝焙烧成为氧化铝产品。

1破碎后进厂的碎高矿经均化场均化后，用斗轮取料机取料入输送机进入铝矿仓，石灰石经煅烧后输送到石灰仓，然后与循环母液经调配后按比例进入棒磨机、球磨机的两段磨和旋流器组成的磨矿分级闭路循环系统。分级后的溢流经缓冲槽和泵进入原矿浆储槽，用高压泥浆泵输送矿浆进入多级预热和溶出系统，加热介质可用溶盐也可用高压新蒸气，各级矿浆自蒸发器排出的乏气分别用来预热各级预热器中的矿浆。溶出设备可用套管加热与高压釜组成溶出器组。溶出后的矿浆经多级降压自蒸发器降压后，与赤泥一次洗液一同进入矿浆稀释槽。末级自蒸发器排出的乏气，用来预热赤泥洗水，洗水由循环水和不合格的冷凝水组成。稀释矿浆进入分离沉降槽，其溢流经过叶滤和降温后送去晶种搅拌分解，分解后的氢氧化铝浆液经分离后，大部分氢氧化铝返回种分槽作为晶种使用，其余部分送去洗涤，洗水用纯净的热水，洗净后的氢氧化铝送去焙烧，焙烧后的氧化铝即为成品氧化铝。分离后的种分母液送去蒸发，加入少量盐类晶种以诱导盐类晶种析出，其溢流与滤液、补充新的液体苛性钠后组成循环母液，送去调配制备原矿浆。

二、氧化铝生产焙烧过程工艺

氢氧化铝焙烧是氧化铝生产工艺中的最后一道工序。焙烧的目的是在高温下把氧化铝的附着水和结晶水脱除，从而生成物理化学性质符合电解要求的氧化铝。(1)焙烧原理

氢氧化铝经过焙烧炉的干燥段，焙烧段和冷却段使之烘干，脱水和晶形转变而变成氧化铝产品其化学变化可分为以下几个阶段。

（a）脱除附着水

CAl(OH)3H2O100Al(OH)3H2O 当温度高于100C时氢氧化铝中的附着水被蒸发，此反应发生在闪速干燥器。(b)脱除结晶水

结晶水的脱除分两步进行，250-300度时，失去两个结晶水，在500-600度的温度下它失去最后一个结晶水。而成为rAlO。

23300CAl2O33H2O250Al2O32H2O 600CAl2O3H2O500Al2O3H2O (c)晶型转变

氢氧化铝在脱水过程中伴随着晶体转变，rAl2O3在950度时开始进行晶型转变，逐渐由rAl2O3转变为a-Al2O3。

(2)氧化铝焙烧过程生产过程流程介绍

流态化焙烧是世界上最先进的氢氧化铝焙烧技术与装置，流态化是一种固体颗粒与气体接触而变成类似流体状态的操作技术。而固体物料在流态化状态下与气体或液体的热交换过程最为强烈。(a)此炉型采用了在干燥段设计热发生器这一新颖措施，当供料氢氧化铝附着水含量增大时，不需象其它炉型那样采取增加过剩空气的方式来增加干燥能力，仅需启动干燥热发生器来增加干燥段热量，避免了废气量大增而大量损失热量，因此，与前二种炉型相比，气体悬焙烧炉热耗和电耗要低。

(b)整套装置设计简单。一是物料自上而下流动，可避免事故停炉时的炉内积料和计划停炉时的排料；二是设备简单，除流化冷却器外无任何流化床板，没有物料控制阀，方便了设备维检修：三是负压作业对焙烧炉的问题诊断和事故处理有利。这些都有利于故障后生产的快速恢复，给生产组织带来方便。

(c)控制回路简单，气体悬浮焙烧炉虽有多条自动控制回路，但在生产中起主要作用的仅有2条，一条是主燃烧系统的主炉温度控制回路，另一条是O2含量控制回路。

三、焙烧炉温度控制方案设计

目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。一个控控制系统包括控制器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构，加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器，变送器，通过输入接口送到控 制器。

(1)对于焙烧过程而言，主要控制焙烧炉出口温度。而影响焙烧炉出口温度的因素主要就是燃料的流量，而流量又决定于主燃烧器的流量阀门的开度。因此，我们引入中间点信号，即最能反应焙烧炉出口温度的进入主燃烧器中的燃料流量，作为调节器的补充信号，以便快速反应影响焙烧炉出口温度变化的扰动，引入该点作为辅助被调量，通过调节管道上流量阀的开度调整燃料的流量，组成了流量．温度串级调节系统，从而调节焙烧炉的出口温度，来保氧化铝的产量和质量口”。焙烧炉温度控制回路流程图如图所示：

图1 焙烧炉温度控制回路流程图 焙烧炉温度控制回路设计为串级控制回路，主回路为温度控制回路，其输入为焙烧炉的出口温度的设定值，控制器输出为副回路的输入，测量仪表为一体化热电偶；副回路为流量控制回路，其输入为主控制器的输出或主燃烧器的流量设定，控制器输出为主燃烧器V19流量调节阀的百分比开度，执行机构为流量电动调节阀，测量仪表为电磁流量计。从方框图可以看出，串级调节系统有两个闭环的调节回路：

图2 温度控制回路结构图

a）由PID控制器、调节阀、主燃烧器、流量计构成了副环回路。b）由PID控制器、副环回路、焙烧炉、温度计构成了主环回路。

副环回路为流量调节系统，选用标准PID控制器来控制该系统。主环回路为温度调节系统，也选用标准PID控制器来控制该系统。

主调节器出的的信号不是直接调节温度，而是作为副调节器的可变给定值，与燃料流量信号比较，再通过副调节器去控制电动阀动作，以调节燃料流量，保证焙烧炉出口温度能较快的跟踪设定值并最终保持在设定值附近不变。

(2)从动态特性的角度考虑，优化控制器性能与结构，提高系统的响应速度。在对控制系统进行设计时，尽量根据被控制对象选择一组较为合适的控制器参数，提达到更好可控制效果。而通过对系统建立数学模型，根据模型特性，通过设定某种性能指标，在实现最优指标的前提下，对控制器参数进行寻优可谓是个好的优化控制器性能的办法。对于串级控制系统来说，有两个控制器，因此需要分别对两个控制器的参数进行整定，整定的顺序先调节副回路，待副回路调节达到要求后，在调节主回路。

(3)如果测量元件的延迟和惯性比较大，就不能及时反映温度的变化，就会造成系统不稳定，影响控制质量。因此，在系统的仪表选型上尽量使用快速的测量元件，安装在正确的位置，保证测量信号传递的快速性，减小延迟和惯性。

四、焙烧炉温度回路对象模型的建立与验证

建立数学模型的方法有许多种，像机理建模、系统辨识等。机理建模有较大的普遍性，但是多数工业过程的机理较为复杂，其数学模型很难建立，虽然在建模过程中作了一些具有一定实际依据的近似和假设，但是逼近不能完全反映过程的实际情况，有时甚至会带来一些估计

4不到的影响。因此，在工程目前主要采用试验建模一过程辨识和参数估计的方法。建模的方法我们采用响应曲线法，响应曲线法主要用于阶跃响应曲线和矩形脉冲响应曲线。

图3 阶跃响应法 图4 矩形脉冲响应法(1)阶跃响应曲线的试验测定：

将被控过程的输入量作一阶跃变化，同时记录其输出量随时间而变化的曲线，则称为阶跃响应曲线。

阶跃响应曲线能直观，完全描述被控过程的动态特性。实验测试方法易于实现，只要是阀门的开度作一阶跃变化即可，实验时必须注意：

(a)合理选择阶跃扰动量，既不能太大，以免影响正常生产，也不能太小，以防被控过程的不真实性。通常取阶跃信号值为正常输入信号的5％一15％，以不影响生产为准。(b)试验应在相同的测试条件下重复做几次，需获得两次以上的比较接近的相应曲线，减少干扰的影响。

(c)试验应在阶跃信号作正，反方向变化时分别测出其相应曲线，以检验被控过程的非线性程度。

(d)试验前，即在输入阶跃信号前，被控过程必需处于稳定的工作状态。在一次试验完成后，必须是被控过程稳定一段时间后再施加测试信号作第二次试验。

考虑到实际工程的方便，对主炉温度控制我们采用阶跃响应曲线试验建模法。根据 控制理论来分析，设计或改进一个过程控制系统，只有过程的阶跃响应曲线显然是不够的，还必须有阶跃响应曲线来辨识被控过程数学模型，如微分方程、传递函数、频率特性、差分方程等。在确定模型参数时，首先分析阶跃响应曲线的形状，选取一种模型结构，然后进行参数估计。由阶跃响应曲线辨识数学模型的方法很多，一阶惯性环节是一种常用的估计方法。

在过程输入阶跃信号x0的瞬时，其响应曲线的斜率最大，如图5所示。

5图5 阶跃响应曲线

此时，其数学模型可用一阶惯性环节来近似，即

w(s)sK1

式中参数K、的求法如下：(1)过程的静态放大系数

y()y(0)x0K(2)过程的时间常数

对于上式所示的过程模型，在阶跃信号x0作用下的时间特性为：

y（t）Kx0(1e)

式中，K为过程的放大系数，可由上式可确定。

图3．20描绘该方程的曲线图，表明一阶过程对输入的突然变化不能瞬时做出响应。事实上，当时间间隔等于过程时间常数是（t）过程响应应仅为完全值得63.2％。从利用上讲，除了t，过程输出总不会达到新的稳态值；当（t5）时，相应近似为最终稳态值。

t

五、设备及控制仪表的选型

（1）温度变送器的选择

选用JCJ100G温度变送器，JCJ100G温度变送器将热电热偶所测的温度变化通过电路处理，经信号放大后转化成标准的电压或电流信号。信号可以供数字仪表、记录仪、模拟调节器、DCS系统，广泛用于工业生产过程检测与控制系统。本温度变送器采用优质电子器件，性能远高于其他同类产品，物美价廉。（2）控制器选型

按照设计要求，本设计选用一个KSW-6-16型温度控制器为1300℃电炉的配套设备，与铂铑—铂热电偶配套使用，可对电炉内的温度进行测量、显示、控制，并可使炉膛内的温度自动保持恒温。以硅碳棒为加热元件的高温电阻炉，其加热元件的冷态与热态时的电阻值相差较大，在长期使用中硅碳棒的电阻值将逐渐变大。所以必须与调压设备配套使用，KSW-6-16型号的温度控制器具有温度控制和电压调节二种功能，该温度控制器的温度显示有数字显示

6和指针显示二种，其中尤以固态继电器为执行元件并配以数字显示的控制器性能更为优越。结构及工作原理：温度控制器的外壳由钢板冲压折制成型并采用铝合金框架结构，外壳表面采用高强度的静电喷涂，漆膜光滑牢固。控制器的前部装有温度控制仪表、电压表、电流表和电源开关。控制器的内部装有可控硅、线路板及螺旋保险和接线端子等电器元件。该温度控制系统采用了优质电子集成元件，控温灵敏、性能可靠、使用方便。

其工作原理：热电偶将电炉内部的温度转换为毫伏电压值，经过集成放大器的放大、比较后，输出移相控制信号，有效地控制可控硅的导通角，进而控制硅碳棒的平均加热功率，使炉膛内的温度保持恒温。（3）执行器的选择

PID系统的执行机构为电动调节阀、排料阀。电动阀使用电机作动力，气动阀使用压缩空气作动力，电动阀对液体介质和大管道径气体效果好，不受气候影响，电动调节阀要求电动调节装置和阀体间隙精密，能够准确地控制阀门开度，阀芯则根据重油黏度系数选用V型半球阀，使其过油能够连续通顺，并使调节与开度尽量满足线性关系。为了解决排料的连续性，选择了气动控制排料阀，执行机构为I／P定位器。I／P定位器是二位三通电磁阀。此装置通过阀门开关来控制气缸带动活塞运动。（4）气开气关选择

气动调节阀气开或者气关，通常是通过执行机构的正反作用和调节阀结构的不同组装方式实现。气开气关的选择是根据工艺生产的安全角度出发来考虑的。在本设计中，沸腾焙烧炉的温度控制，调节阀安装在燃料气管道上，根据炉膛的温度或被加热物料在加热炉出口的温度来控制燃料的供应。根据生产过程的工艺特点和安全要求，保证人身安全原则、系统与设备安全原则，保证产品的质量原则，减少原料和动力浪费原则，基于介质特点的工艺设备安全原则，本设计选用气开阀更安全些，因为一旦气源停止供给，阀门处于关闭比阀门处于全开更适合。如果气源中断，燃料阀全开，会使加热过量发生危险。（5）调节器正负作用选择

副调节器作用方式的选择，确定副被控过程的Ko2，当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升，所以 Ko2 >0。最后确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数(即增益)乘积必须为正，所以副调节器 K 2>0，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的选择，炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程 Ko1 > 0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数 K 1> 0，主调节器作用方式为反作用方式。

六、温度控制器PID参数整定及仿真

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起

7来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。

被控对象为一阶传递函数

3.98W(s)sK111.15s1

采样时间为O.2秒，输入指令为一阶阶跃信号。

温度控制器PID参数整定方法，应用Matlab计算机语言编写了算法PID参数程序，获得优化参数。

整定后的PID控制阶跃响应在Matlab环境下进行仿真，仿真控制程序如图3．31所 示。

图6 温度PID控制的Simulink仿真程序

在仿真环境下焙烧炉设定1110℃，仿真曲线图所示。

8图7 温度PID整定的阶跃响应曲线

通过仿真曲线图7可以看出通过PID参数能够使焙烧炉温度快速稳定准确的跟踪设定值，上升时间大约为8s，调节时间约为10s，超调量小，基本达到控制要求。

七、总结

所设计的回路控制策略应用到现场，能够满足现场的控制要求，而且能够提高产品的品质，实验室整定的PID参数对现场控制器有很好的指导意义，提高了控制精度；为氧化铝焙烧生产提供保障；减轻了现场工艺人员的工作强度，同时也能更加精确、严格的按照设定好的曲线烘炉，提高炉子内衬的使用寿命，为顺利生产提供前提保障。总之，焙烧过程计算机控制系统成功的应用到实际工程中，满足实际项目的工艺要求，降低了现场人员的工作量，节约了现场能量，提高了产品质量和产量。

参考文献：

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第二篇：计算机控制课程设计(电阻炉温度控制系统)

计算机控制课程设计

报告

设计题目： 电阻炉温度控制系统设计 年级专业： 09级测控技术与仪器 姓 名 ：

武帆 学 号 ： P60914001 任课教师： 谢芳

电阻炉温度控制系统设计

0.前言

随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活带来了根本性的变化，特别是微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的飞跃，利用单片机来改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。温度是工业生产中主要的被控参数之一，与之相关的各种温度控制系统广泛应用于冶金、化工、机械、食品等领域。温度控制是工业生产过程中经常遇到的过程控制，有些工艺过程对其温度的控制效果直接影响着产品的质量。因而设计一种较为理想的温度控制系统是非常有价值的。本设计就是利用单片机来控制高温加热炉的温度，传统的以普通双向晶闸管（SCR）控制的高温电加热炉采用移相触发电路改变晶闸管导通角的大小来调节输出功率，达到自动控制电加热炉温度的目的。这种移相方式输出一种非正弦波，实践表明这种控制方式产生相当大的中频干扰，并通过电网传输，给电力系统造成“公害”。采用固态继电器控温电路，通过单片机控制固态继电器，其波形为完整的正弦波，是一种稳定、可靠、较先进的控制方法。为了降低成本和保证较高的控温精度，采用普通的ADC0809芯片和具有零点迁移、冷端补偿功能的温度变送器桥路，使实际测温范围缩小。

温度控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。采用单片机进行温度控制，具有电路设计简单、精度高、控制效果好等优点，对提高生产效率、促进科技进步等方面具有重要的现实意义随着单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，其稳定、安全、高效、经济等优点十分突出，所以其应用也十分广泛。单片机已经无处不在、与我们生活息息相关，并且渗透到生活的方方面面。

1.课程设计任务

项目设计：电阻炉温度控制系统设计

以在工业领域中应用较为广泛的电阻炉为被控对象，采用MCS—52单片机实现电阻炉温度计算机控制系统的设计，介绍电阻炉温度计算机控制系统的组成，并完成系统总体控制方案和达林算法控制器的设计，给出系统硬件原理框图和软件设计流程图等。

1.1电阻炉组成及其加热方式

电阻炉是工业炉的一种，是利用电流通过电热体元件将电能转化为热能来加热或者熔化元件或物料的热加工设备。电阻炉由炉体、电气控制系统和辅助系统组成，炉体由炉壳、加热器、炉衬（包括隔热屏）等部件组成。由于炉子的种类不同，因而所使用的燃料和加热方法也不同;由于工艺不同，所要求的温度高低不同，因而所采用的测温元件和测温方法也不同;产品工艺不同，对控温精度要求不同，因而控制系统的组成也不相同。电气控制系统包括主机与外围电路、仪表显示等。辅助系统通常指传动系统、真空系统、冷却系统等，因炉种的不同而各异。电阻炉的类型根据其热量产生的方式不同，可分为间接加热式和直接加热式两大类。间接加热式电阻炉，就是在炉子内部有专用的电阻材料制作的加热元件，电流通过加热元件时产生热量，再通过热的传导、对流、辐射而使放置在炉中的炉料被加热。直接加热式电阻炉，是将电源直接接在所需加热的材料上，让强大的电流直接流过所需加热的材料，使材料本身发热从而达到加热的效果。工业电阻炉，大部分采用间接加热式，只有一小部分采用直接加热式。由于电阻炉具有热效率高、热量损失小、加热方式简单、温度场分布 均匀、环保等优点，应用十分广泛。1.2控制要求

本系统中所选用的加热炉为间接加热式电阻炉，控制要求为:（1）采用一台主机控制8个同样规格的电阻炉温度;（2）电炉额定功率为20 kW;（3）恒温正常工作温度为1000℃，控温精度为±1%;（4）电阻炉温度按预定的规律变化，超调量应尽可能小，且具有良好的稳定性;（5）具有温度、曲线自动显示和打印功能，显示精度为±1℃;（6）具有报警、参数设定、温度曲线修改设置等功能。

二、系统总体设计

根据题目要求,电热锅炉温度控制系统由核心处理模块、温度采集模块、键盘显示模块、及控制执行模块等组成。采用比较流行的AT89S52作为电路的控制核心,使用8位的模数转换器AD0808进行数据转换,控制电路部分采用PWM通过AC-SSR实现锅炉温度的连续控制,此方案电路简单并且可以满足题目中的各项要求的精度。系统总体框图如下。

显示电路热电偶电阻炉变送器数据采集单片机越限报警

2.1核心处理模块——单片机

该部分的功能不仅包括向温度传感器写入各种控制命令、读取温度数据、数据处理，同时还要对执行单元进行控制。单片机是整个系统的控制核心及数据处理核心。

选择单片机的理由：单片机的特点是体积较小，也就是其集成特性，其内部结构是普通计算机系统的简化，增加一些外围电路，就能够组成一个完整的小系统，单片机具有很强的可扩展性。它具有和普通计算机类似的、强大的数据处理功能，通过使用一些科学的算法，可以获得很强的数据处理能力。所以单片机在工业应用中，可以极大地提高工业设备的智能化、数据处理能力和处理效率，而且单片机无需占用很大的空间。

2.2温度信号采集与传感器

本部分的主要作用是用传感器检测模拟环境中的温度信号，温度传感器上电流将随环境温度值线性变化。再把电流信号转换成电压信号，使用A/D转换器将模拟电压信号转换成单片机能够进行数据处理的数字电压信号，本设计采用的是数字温度传感器，以上过程都在温度传感器内部完成。

2.3人机交互及串口通信

人机交换的目的是为了提高系统的可用性和实用性。主要包括按键输入、输出显示。通过按键输入完成系统参数设置，而输出显示则完成数据的显示和系统提示信息的输出，串口通信的主要功能是完成单片机与上位机的通信，便于进行温度数据统计，为将来系统功能的扩展做好基础工作。AC-SSR过零检测光耦隔离键盘控制 2.4控制执行单元

是单片机的输出控制执行部分，根据单片机数据处理的结果，驱动继电器控制外部设备，可以达到超温报警及升温或者降温目的，使环境温度始终保持在一个范围之内。

根据温度变化慢,并且控制精度不易掌握的特点,我们设计了以AT89S52单片机为检测控制中心的电热锅炉温度自动控制系统。温度控制采用改进的PID数字控制算法,显示采用8位LED动态显示。

三、硬件电路设计

硬件电路如图所示：硬件系统主要由AT89S52单片机、温度采集、A／D转换、键盘显示电路、报警等功能电路组成。

3.1、核心部分单片机

AT89S52单片机为主控制单元。AT89S52单片机首先根据炉温的给定值和测量值计算出温度偏差，然后进行PID控制并计算出相应的控制数据由P1．0口输出。最后将P1．0口输出的控制数据送往光电耦合隔离器的输入端，利用PWM脉冲调制技术调整占空比，达到使炉温控制在某一设定温度。AT89S52单片机还负责按键处理、温度显示以及与上位机进行通信等工作。4位高亮度LED用于显示设定温度或实测温度。3.2、温度采集转换模块

温度采集电路主要由铂铑-铂热电偶LB-3。LB-3热电偶可以在1300℃高温下长时间工作，满足常规处理工艺要求。测温时，热电阻输出mV热电势，必须经过变送器变换成0-5V的标准信号。本系统选用DWB型温度变送器，并将其直接安装在热电偶的接线盒内，构成一体化的温度变送器，不仅可以节省补偿导线，而且可以减少温度信号在传递过程中产生的失真和干扰。电阻炉炉温信号是一种变换缓慢的信号。这种信号在进行A/D转换时，对转换速度要求不高。因此为了减低成本以及方便选材，可以选用廉价的、常用的A/D芯片ADC0809，ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入、8为数字输出地A/D转换器件，转换时间为100us，完全满足系统设计的要求。经过ADC0809转换所得到的实测炉温数据直接送入AT89S52单片机中进行数据处理。

此外，为了防止断偶或者炉温越限，产生热处理质量事故；同时为了提高温控系统的智能化控制性能，降低热处理操作人员的劳动强度，本系统特别设置了断偶或炉温越限自动报警电路。在热处理生产过程中，当发生断偶或炉温越限等异常现象时，主控单元AT89S52单片机自动启动报警电路进行声、光报警，以便操作人员快速处理，防止炉内工件过热，破坏金属组织结构。

3.3、AC—SSR交流功率调节电路

由输出来控制电炉,电炉可以近似建立为具有滞后性质的一阶惯性环节数学模型。其传递函数形式为：

其中时间常数T=350秒，放大系数K=50，滞后时间t=10秒。为了避免交流接触器等机械触电因频繁通断产生电弧，烧坏触电或者干扰其他设备正常工作，本系统选用AC-SSR交流功率调节器作为PID控制系统的执行机构。AT89S52单片机P1.0口输出的温度控制信号经过光电耦合器件隔离，送至过零检测电路。过零检测电路产生脉冲控制AC-SSR调功电路。当实测温度偏低时，单片机输出的控制信号使得双向可控硅的导通角减小，导通时间变短，加热器功率降低炉温适当降低。通过控制输入到加热器平均功率的大小达到控制电阻炉炉温的目的。

控制执行部分的硬件电路如下图

3.4键盘模块电路

采用4×4矩阵键盘接单片机的P1口，然后实现对设定温度的修改，将它与实际温度进行对比，实现要求的功能。矩阵键盘如下图3所示：

3.5 A/D转换电路

如图所示：

3.6 变送电路

3.6.1、4~20mA变送器XTR101 XTR101为4~20mA线性化变送器，它可与镍络-镍硅测温传感器构成精密的T/I变换。器件中的放大器适合很宽的测温范围，在-40℃~+85℃的工作温度内，传送电流的总误差不超过1%，供电电源可以从11.6V到40V,输入失调电压<±2.5mV，输入失调电流<20nA。XTR101外形采用标准的14脚DIP封装。XTR101有如下两种应用于转换温度信号的典型电路：

3.6.2、I/V转换器RCV420 RCV420是一种精密电流/电压变换器，它能将4~20mA的环路电流变为0~5V的电压输出，并且具有可靠的性能和很低的成本。除具有精密运放和电阻网络外，还集成有10V基准电源。对环路电流由很好的变换能力。具有-25℃~+85℃和0℃~70℃的工作温度范围，输入失调电压<1mA，总的变换误差<0.1%，电源电压范围±5~±18V。RCV420的外形采用标准的16脚DIP封装。它的典型应用如下：

四、系统软件设计

系统的软件由三大模块组成：主程序模块、功能实现模块和运算控制模块。

4.1 主程序模块

开始初始化计时器初始化PID参数A/D采样以及变换Y判断越限报警N显示当前温度和设定温度报警开启设置PWM的占空比

主程序流程图

4.2 功能实现模块

以用来执行对可控硅及电炉的控制。功能实现模块主要由A／D转换子程序、中断处理子程序、键盘处理子程序、显示子程序等部分组成。

4.2.1T0中断子程序

该中断是单片机内部100ms定时中断,优先级设为最高,是最重要的子程序。在该中断响应中,单片机要完成调用PID算法子程序且输出PID计算结果等功能。其流程图如下:

进入中断设置定时器寄存器判断标志位是否为1NY标志位置0计算PID子模块标志位加1中断返回 T0中断子程序

4.2.2 T1中断子程序

T1定时中断用于调制PWM信号，优先级低于T 0中断,其定时初值由PID算法子程序提供的输出转化而来，T1中断响应的时间用于输出控制信号。其流程图如下:

进入中断取反标志位,表示该输出高电平或低电平输出高电平?Y设置高电平脉宽N输出口置高电平设置低电平脉宽Y输出低电平?N输出口置低电平中断返回 T1中断子程序

4.3运算控制模块

运算控制模块涉及标度转换、PID算法、以及该算法调用到的乘法子程序等。

4.3.1标度转换子程序

该子程序作用是将温度信号(00H~FFH)转换为对应的温度值,以便送显示或与设定值在相同量纲下进行比较。所用线形标度变换公式为：

式中,Ax： 实际测量的温度值;Nx：经过A／D转换的温度量； Am =90；Ao=40；Nm =FEH;No=01H；

单片机运算采用定点数运算，并且在高温区和低温区分别用程序作矫正处理。

4.4 控制算法：PID算法

积分分离控制的基本思路是：当偏差e(k)绝对值较大时。取消积分作用，以免由于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当偏差e(k)绝对值小于某一设定值M时，引入积分控制，以便消除静差，提高控制精度，PID算法的表达式为：

u(t)Kp[e(t)式中u(t)：调节器的输出信号；

e(t)：偏差信号；

1TIt0e(t)dtTDde(t)]dt

Kp：调节器的比例系数；

TI：调节器的积分时间； TD：调节器的微分时间。

在计算机控制中，为实现数字控制，必须对上式进行离散化处理。用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程。设系统的采样周期为T，在t=kT时刻进行采样，e(t)dtTe(i)0i0tk

式中e(k)：根据本次采样值所得到的偏差；

e(k-1)：由上次采样所得到的偏差。将上面的三个式子代入，则有

de(t)e(k)e（k1)dtT

Tu（k）Kp[e（k）TITe（i）i0kkDe（k）e（k1）]TKpe（k）kie（i）kdi0e（k）e（k1）T

式中，T为采样时间，项为积分项的开关系数

01e(k)e(k)

积分分离PID控制算法程序流程图如图10所示。

开始参数初始化采入r(k)及y（k）yPID控制E(k)<ß？nPD控制控制器输出参数更新返回

积分分离PID控制算法程序流程图

参考文献

[1] 张艳兵, 王忠庆,鲜浩编著,计算机控制技术.北京:国防工业出版社,2006 [2] 于海生编著,微型计算机控制技术.北京:清华大学出版社,1999 [3] 杨进才,沈显君,刘蓉编著,C++语言程序设计教程.北京:清华大学出版社,2006 [4] 夏云龙编著,最新Visual C++ 使用手册.北京:电子工业出版社,2005 [5] 黄迪明,许家珆,胡德昆编著,C语言程序设计.成都:电子科技大学出版社,2008 [6] 颜永军等,Protel99电路设计与应用,国防工业出版社,2001 [7] 楼然苗,李光飞,51系列单片机设计实例（第二版）,2006 [8] 李朝青

单片机原理及接口技术.北京航空航天大学出版社

[9]刘洪恩.利用热电偶转换器的单片机温度测控系统[J]仪表技术,2005.2: 29-30。[10]孙凯, 李元科.电阻炉温度控制系统[J].传感器技术,2003.2:50-52.。

附录

主程序

ORG 0400H DISM0 DATA 78H DISM1 DATA 79H DISM2 DATA 7AH DISM3 DATA 7BH DISM4 DATA 7CH DISM5 DATA 7DH MOV SP,#50H CLR 5EH CLR 5FH CLR A MOV 2FH,A MOV 30H,A MOV 3BH,A MOV 3CH,A MOV 3DH,A MOV 3EH,A MOV 44H,A MOV DISM0,A MOV DISM1,A MOV DISM2,A MOV DISM3,A MOV DISM4,A MOV DISM5,A MOV TMOD,#56H MOV TL0,#06H MOV TH0,06H CLR PT0 SETB TR0 SETB ET0 SETB EA LOOP:ACALL DISPLY ACALL SCAN AJMP LOOP

50H送SP

A

清暂存单元

清显示缓冲区

T0为计数器方式2，T1为方式1

T0赋初值

T0为低中断优先级 T0工作 T0中断 CPU中断

；；清本次越限标志；清上次越限标志；清累加器；；；；；；；；；；；；；；设；；；令；启动；允许；开；调用显示程序；调用扫描程序；等待中断T0中断服务程序 ORG 000BH AJMP CT0 ORG 0100H CT0: PUSH ACC ；

PUSH DPL ；保护现场 PUSH DPH ；

SETB D5H ；置标志

ACALL SAMP ；调用采样子程序 ACALL FILTER ；调用数字滤波程序

CJNE A,42H,TPL ；若Ui（k）不等于Umax，则TPL WL: MOV C,5EH ；

MOV 5FH,C ； 5EH送5FH CLR 5EH ；清5EH单元 ACALL UPL ；转上限处理程序 POP DPH POP DPL POP ACC RETI ；中断返回

TPL: JNC TPL1 ；若Ui（k）大等Umax，则TPL1 CLR 5FH ；清上次越限标志

CJNE A,43H,MTPL ；若Ui（k）不等于Umin，则MTPL HAT: SETB P1.1 ；若温度不越限则令绿灯亮 ACALL PID ；调用计算PID子程序 MOV A,2FH ；PID值送A CPL A ；

INC A ； 对PID值求补，作为TL1值 NM: SETB P1.3 ；令p1.3输出高电平脉冲 MOV TL1,A ；

MOV TH1,#0FFH ； T1赋初值 SETB PT1 ；T1高优先级中断 SETB TR1 ；启动T1 SETB ET1 ；允许T1中断

ACALL TRAST ；调用标度转换程序 LOOP: ACALL DISPLY ； 显示温度 JB D5H,LOOP ；等待T1中断 POP DPH ；

POP DPL ； 恢复现场 POP ACC ；

RETI ；中断返回

MTPL: JNC HAT ；若Ui（k）大于Umin，则HAT SETB P1.0 ；否则越下限声光报警 MOV A,45H ；取PID最大值输出 CPL A ；

INC A ； 对PID值求补，作为TL1 AJMP NM ；转NM执行

TPL1: SETB 5EH ；若Ui（k）大于Umax，则5EH单元置位 JNB 5FH,WL ；若上次未越限，则转WL INC 44H ；越限计数器加1 MOV A,44H CLR C SUBB A,#N ；越限N次？

JNZ WL ；越限小于N次，则WL SETB P1.2 ；否则，越上限声光报警 CLR 5EH CLR 5FH POP DPH POP DPL POP ACC RETI

T1中断服务程序 ORG 001BH AJMP CT1 ORG 0200H CT1: CLR D5H CLR P1.3 RETI ；

； 清越限标志 ；

； 恢复现场 ；

；中断返回

p1.3变为低电平；中断返回 ；清标志；令

第三篇：氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

中铝山东分公司为提高氧化铝生产工艺和技术装备水平，从德国卢奇公司引进一套产能为1600t／d氧化铝工艺技术及自动化水平高的流态化循环沸腾焙烧炉。1997年9月点火烘炉、投运。随后安装的一套于2001年11月点火。此套装置所用的耐火材料内衬为硅酸钙板、轻质浇注料、耐火浇注料、耐火粘土砖和耐火纤维及锚固件。

一、氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

1、氧化铝循环沸腾焙烧炉的组成氧化铝循环沸腾焙烧炉用来焙烧氢氧化铝，由圆锥形旋风筒、文丘里烘干器、沸腾焙烧炉、喂料螺旋、流态化冷却机、循环床、卸料槽、下料管及风管和烟道组成。设备形状基本为圆筒形，最大设备外径5.8m，高度32m，设备外壳由钢板焊制，内衬采用不定形耐火材料、耐火砖、硅酸钙板及耐火纤维组成，并有锚固件联接固定，整个装置各个设备之间相互联接，构成一个密封的、整体性较强的结构装置。

2、氧化铝沸腾焙烧炉用耐火材料的选择

本装置最高炉温约1100℃，最高压力约12.5kPa，最高流速48.5m／s，焙烧时间约30min，即整个焙烧过程在高速、高温下完成。由于所处理的氧化铝物料硬度较大，流动性好，对氧化铝产品质量的要求严格，任何内衬杂质的混入都直接影响产品的性能，因此，要求耐火材料必须满足下列条件：耐高温、耐磨损、高强度、热稳定性能好，整体性及密封性强。

在选用国产代用耐火材料时，应遵循三条原则：①保证所选各种耐火材料的理化指标满足卢奇公司的要求；②保证所选耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火烧注料；③所选耐火材料必须经过实践验证。根据这三条原则，经对国内十几家有实力的耐火材料生产厂家进行实地考察、比较筛选后，最终选择了6家耐火材料厂，经过与国外耐火材料的各项性能指标进行对比，所选用的国内耐火材料和卢奇公司的耐火材料性能指标接近，有些性能指标甚至超过了国外指标（见表1）。

二、氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

循环沸腾焙烧炉整个装置所用耐火材料共计762t，主要有浇注料、耐火砖、硅酸钙板、硅酸铝纤维和耐火泥五大类，以及固定耐火材料的锚固件。

1、工作层用耐火材料耐火浇注料共计351t，用于一级文丘里、冷却旋风筒、流化床冷却机、所有管道、烟道及沸腾焙烧炉下部和旋风筒的锥体部分，多为双层或三层。

耐火砖共用269t，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里干燥器以及烟道等。

根据沸腾焙烧炉的工艺特点和不同的工艺参数及工况条件，工作层所用耐火材料的种类及层数不同。根据使用温度、物料性质，所有工艺管道进行轻质和重质浇注的配置，主要设备内衬采用绝热＋隔热＋耐火砖的工作层配置，使耐火材料节能效果更好。

2、隔热耐火材料隔热耐火材料有轻质浇注料、轻质隔热砖、硅酸钙板和耐火纤维。

浇注料主要用在流化床冷却机、冷却旋风筒、一级文丘里干燥器及二级文丘里干燥器等主要设备的顶部和所有管道和烟道里面。

保温砖保温砖共用41.76t，主要用在流化床冷却机、一级文丘里干燥器和二级旋风分离器。

硅酸钙板硅酸钙板共用97.5m3，有50mm厚和30mm厚两种规格，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、冷却旋风筒及一级文丘里干燥器等。

耐火纤维耐火纤维共用2.5t，分为板类、毡类和毯类，主要用在膨胀缝、伸缩节、支架和入孔以及各种工艺孔周围。

锚固件锚固件是内衬的主要组成部分，其作用是使内衬与炉壁牢固地结合。

锚固件的分布与炉温、耐火材料的性质、炉衬厚度、使用部位和所选用的锚固件形状及材料有关，有15种类型、40种规格，重量约3000kg的锚固件系统对炉衬的应力分布及热胀冷缩热应力的均衡、延长炉衬寿命，起至关重要的作用。

三、效果及存在的问题

1、效果与启示①该炉子在耐火材料使用中注重隔热材料的使用，在高温设备沸腾焙烧炉和循环旋风筒上均采用五层耐火材料，四层隔热材料，保温效果很好。尽管炉子内部温度高达1100℃，但炉体外表温度仅为70℃左右。其它部位均有二层或三层隔热材料，故炉子整体热效率很高。

②不同设备、不同工况条件，选用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比较经济、合理，对今后耐火材料的选用有一定的启示。

③不同炉温、不同耐火材质、不同炉衬厚度、不同使用部位，所用锚固件的形状、分布及材质不同。

5沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里等拱顶采用异型砖逐环砌筑，环与环之间子母相扣，保障了球形拱顶的整体性能。解决了浇注料施工麻烦、养护时间长、损毁后难修补的问题。

2、存在问题在不到3年的应用中，沸腾焙烧炉内因二级文丘里干燥器、烟道等处红炉，曾停炉检修4次，原因有以下几点。

结构不合理二级文丘里到二级旋风筒的通道高2.5m，宽1.7m，砖厚仅为180mm，且分两层（65mm和115mm），尽管设置有锚固件，但仍显不稳，使用不到一年即掉砖。遂在大修时进行改进，保持内表面积不变，高度不变，外壳加宽115mm，耐火砖加厚115mm，改为65mm保温砖和230mm耐火砖。改后的运行效果较好。

砖缝及膨胀缝较大此炉设计的耐火砖在位置高度上一般每间隔3.5m留有25mm的臌胀缝，根据我国耐火材料的线变化，在1450℃、保温2h，线收缩一般为＋0～－0.2％，热膨胀系数300～400℃时为0.1％，故25mm的膨胀缝过大。停炉时透过所有膨胀缝可看到外层钢板。故根据理论要求，膨胀缝留7～8mm。

二级文丘里、二级旋风筒及连接过道的耐火砖强度低，不耐磨

开炉2年多以来，二级旋风筒的耐火砖由厚115mm磨损至局部仅为20mm，二级文丘里的耐火砖磨损仅为70mm左右，连接过道耐火砖已更换两次，此处所选砖的强度只为34MPa，说明此处的耐火砖不符合工艺要求。此外气流流速大，氧化铝对其的冲刷严格，应使用高强耐磨砖，因此在高铝质骨料中添加耐磨骨料，以增强耐火砖的耐磨性。耐磨骨料如刚玉、板状刚玉等都具有高耐火度、蠕变小、高密度、热震稳定性好、耐磨性好等优点，在该部位试用高强度耐磨砖，可显著提高内衬的使用寿命。

浇注料之间施工缝隙过大沸腾焙烧炉与循环旋风筒之间的过道顶部为三层浇注料、两层保温浇注料、一层耐火浇注料，锚固件为ST－20－21型，由于施工缝隙过大，氧化铝穿过施工缝冲刷锚固件，导致锚固件断裂，浇注料脱落，影响生产。采用的措施包括增强锚固件的焊接强度，改进施工工艺；减少保温浇注料厚度，过道两端全部改为耐火浇注料，减少施工缝等

第四篇：温度传感器课程设计

温度传感器简单电路的集成设计

当选择一个温度传感器的时候，将不再限制在模拟输出或数字输出装置。与你系统需要相匹配的传感器类型现在又很大的选择空间。市场上供应的所有温度感应器都是模拟输出。热电阻，RTDs和热电偶是另一种输出装置，矽温度感应器。在多数的应用中，这些模拟输出装置在有效输出时需要一个比较器，ADC，或一个扩音器。因此，当更高技术的集成变成可能的时候，有数字接口的温度传感器变成现实。这些集成电路被以多种形式出售，从超过特定的温度时才有信号简单装置，到那些报告远的局部温度提供警告的装置。现在不只是在模拟输出和数字输出传感器之间选择，还有那些应该与你的系统需要相匹配的更广阔的感应器类型的选择，温度传感器的类型：

图一：传感器和集成电路制造商提供的四中温度传感器

在图一中举例说明四种温度感应器类型。一个理想模拟传感器提供一个完全线性的功能输出电压（A）。在传感器（B）的数字I/O类中，温度数据通常通过一个串行总线传给微控制器。沿着相同的总线，数据由温度传感器传到微控制器，通常设定温度界限在引脚得数字输出将下降的时候。当超过温度界限的时候，报警中断微控制器。这个类型的装置也提供风扇控制。

模拟输出温度传感器：

图2 热阻和矽温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较。

热电阻和矽温度传感器被广泛地使用在模拟输出温度感应器上。图2清楚地显示当电压和温度之间为线性关系时，矽温度传感器比热阻体好的多。在狭窄的温度范围之内，热电阻能提供合理的线性和好的敏感特性。许多构成原始电路的热电阻已经被矽温度感应器代替。

矽温度传感器有不同的输出刻度和组合。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部份提供一种组合以便温度能被单端补给得传感器检测。

在最大多数的应用中，这些装置的输出被装入一个比较器或A/D转换器，把温度数据转换成一个数字格式。这些附加的装置，热电阻和矽温度传感器继续被利用是由于在许多情况下它的成本低和使用方便。数字I/O温度传感器： 大约在五年前，一种新类型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器通信的数字接口。接口通常是12C或SMBus序列总线，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。阅读微控制器的温度报告，接口也接受来自温控制器的指令。那些指令通常是温度极限，如果超过，将中断微控制器的温度传感器集成电路上的数字信号。微控制器然后能够调整风扇速度或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制之下。

图3：设计的温度传感器可遥测处理器芯片上的p-n结温度

图4。温度传感器可检测它自己的温度和遥测四个p-n结温度。

图5。风扇控制器/温度传感器集成电路也可使用PWM或一个线性模式的控制方案。

在图4中画是一个类似的装置：而不是检测一个p-n结温度，它检测四个结和它的自己内部的温度。因此内部温度接近周围温度。周围温度的测量给出关于系统风扇是否正在适当地工作的指示。

在图5中显示，控制风扇是在遥测温度时集成电路的主要功能。这个部分的使用能在风扇控制的二个不同的模式之间选择。在PWM模式中，微处理控制风扇速度是通过改变送给风扇的信号周期者测量温度一种功能。它允许电力消耗远少于这个部分的线性模式控制所提供的。因为某些风扇在PWM信号控制它的频率下发出一种听得见的声音，这种线性模式可能是有利的，但是需要较高功率的消耗和附加的电路。额外的功耗是整个系统功耗的一小部分。

当温度超出指定界限的时候，这个集成电路提供中断微控制器的警告信号。这个被叫做过热温度的信号形式里，安全特征也被提供。如果温度升到一个危险级别的时候温控制器或软件锁上，警告信号就不再有用。然而，温度经由SMBus升高到一个水平，过热在没有微控制器被使用去控制电路。因此，在这个非逻辑控制器高温中，过热能被直接用去关闭这个系统电源，没有为控制器和阻力潜在的灾难性故障。

装置的这个数字I/O普遍使用在服务器，电池组和硬盘磁碟机上。为了增加服务器的可靠性温度在很多的位置中被检测：在主板（本质上是在底盘内部的周围温度），在处理器钢模之内，和在其它发热元件例如图形加速器和硬盘驱动器。出于安全原因电池组结合温度传感器和使其最优化已达到电池最大寿命。

检测依靠中心马达的速度和周围温度的硬盘驱动器的温度有两个号的理由：在驱动器中读取错误增加温度极限。而且硬盘的MTBF大大改善温度控制。通过测量系统里面温度，就能控制马达速度将可靠性和性能最佳化。驱动器也能被关闭。在高端系统中，警告能为系统管理员指出温度极限或数据可能丢失的状况。

图6。温度超过某一界限的时候，集成电路信号能报警和进行简单的ON/OFF风扇控制。

图7.热控制电路部分在绝对温标形式下，频率与被测温度成比例的产生方波的温度传感器

图8。这个温度传感器传送它的周期与被测温度成比例的方波，因为只发送温度数据需要一条单一线，就需要单一光绝缘体隔离信道。

模拟正温度感应器

“模拟正量”传感器通常匹配比较简单的测量应用软件。这些集成电路产生逻辑输出量来自被测温度，而且区别于数字输入/输出传感器。因为他们在一条单线上输出数据，与串行总线相对。

在一个模拟正量传感器的最简单例子中，当特定的温度被超过的时候，逻辑输出出错：其它，是当温度降到一个温度极限的时候。当其它传感器有确定的极限的时候，这些传感器中的一些允许使用电阻去校正温度极限。

在图6中，装置显示购买一个特定的内在温度极限。这三个电路举例说明这个类型装置的使用：提供警告，关闭仪器，或打开风扇。

当需要读实际温度时，微控制器是可以利用的，在单线上传送数据的传感器可能是有用的。用微处理器的内部计数器，来自于这个类型温度感应器的信号很容易地被转换成温度的测量。图7传感器输出频率与周围温度成比例的方波。在图8中的装置是相似的，但是方波周期是与周围温度成比例的。

图9。用一条公共线与8个温度传感器连接的微控制器，而且从同一条线上接收每个传感器传送的温度数据。

图9，在这条公共线上允许连接达到八个温度传感器。当微控制器的I/O端口同时关闭这根线上的所有传感器的时候，开始提取来自这些传感器的温度数据。微控制器很快地重新装载接收来的每个传感器的数据，在传感器关闭期间，数据被编码。在特定时间内每个传感器对闸口脉冲之后的时间编码。分配给每个感应器自己允许的时间范围，这样就避免冲突。

通过这个方法达到的准确性令人惊讶：0.8 是典型的室温，正好与被传送方波频率的电路相匹配，同样适用于方波周期的装置。

这些装置在有线电线应用中同样显著。举例来说，当一个温度传感器被微控制器隔离的时候，成本被保持在一个最小量，因为只需要一个光绝缘体。这些传感器在汽车制造HVAC应用中也是很有效，因为他们减少铜的损耗数量。温度传感器的发展：

集成电路温度传感器提供各式各样的功能和接口。同样地这些装置继续发展，系统设计师将会看见更多特殊应用就像传感器与系统接口连接的新方式一样。最后，在相同的钢模区域内集成更多的电子元件，芯片设计师的能力将确保温度传感器很快将会包括新的功能和特殊接口。

总结

通过这些天的查找资料，我了解了很多关于温度传感器方面的知识。我的大家都知道温度的一些基本知识，温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。利用温度所创造出来的传感器即温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。并且从资料中显示温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，在本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。

这些天,我通过许多的资料了解到两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称它为“热电偶”。我查找的资料显示数据:不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。

热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。

温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。

非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可以用来测量运动物体、小目标还有热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可以用于测量温度场的温度分布。资料显示，最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体所测温度才是真实温度。如果想测定物体的真实温度，就必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取绝于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关连，因此很难精确测量。在自动化生产中我发现往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，这样才能提高有效发射系数。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即是介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。现在，我通过这些天的努力，了解了很多温度传感器及其相关的一些传感器的知识。他们在我们生活中的应用及其广泛，我们只有加紧的学习加紧的完成自己所学专业的知识，了解相关的最新信息，我们才能跟上科技前进的步伐。

参考文献：

【1】刘君华.智能传感器系统.西安电子科技大学出版社,1993.3 【2】张富学.传感器电子学.国防工业电子出版社,1992.6 【3】王家桢等.传感器与变送器[M].北京清华出版社1996.5 【4】张正伟.传感器原理与应用[M].中央广播电视大学出版社,1991.3 【5】樊尚春.传感器技术及应用.北京航空航天大学出版社,2004.8 【6】赵负图.现代传感器集成电路.人民邮电出版社,2000.8 【7】谢文和.传感器技术及应用.高等教育出版社,2004.7 【8】赵继文.传感器与应用电路设计[M].科技出版社,2002.6 【9】陈杰,黄鸿.传感器与检测技术.高等教育出版社,2002.3 【10】黄继昌,徐巧鱼,张海贵等.传感器工作原理及应用实例.人民邮电出版社,1998.6

第五篇：氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

中铝山东分公司为提高氧化铝生产工艺和技术装备水平，从德国卢奇公司引进一套产能为１６００ｔ／ｄ氧化铝工艺技术及自动化水平高的流态化循环沸腾焙烧炉。１９９７年９月点火烘炉、投运。随后安装的一套于２００１年１１月点火。此套装置所用的耐火材料内衬为硅酸钙板、轻质浇注料、耐火浇注料、耐火粘土砖和耐火纤维及锚固件。

一、氧化铝循环沸腾焙烧炉及其耐火材料的选择

１、氧化铝循环沸腾焙烧炉的组成

氧化铝循环沸腾焙烧炉用来焙烧氢氧化铝，由圆锥形旋风筒、文丘里烘干器、沸腾焙烧炉、喂料螺旋、流态化冷却机、循环床、卸料槽、下料管及风管和烟道组成。设备形状基本为圆筒形，最大设备外径５．８ｍ，高度３２ｍ，设备外壳由钢板焊制，内衬采用不定形耐火材料、耐火砖、硅酸钙板及耐火纤维组成，并有锚固件联接固定，整个装置各个设备之间相互联接，构成一个密封的、整体性较强的结构装

置。

２、氧化铝沸腾焙烧炉用耐火材料的选择

本装置最高炉温约１１００℃，最高压力约１２．５ｋＰａ，最高流速４８．５ｍ／ｓ，焙烧时间约３０ｍｉｎ，即整个焙烧过程在高速、高温下完成。由于所处理的氧化铝物料硬度较大，流动性好，对氧化铝产品质量的要求严格，任何内衬杂质的混入都直接影响产品的性能，因此，要求耐火材料必须满足下列条件：耐高温、耐磨损、高强度、热稳定性能好，整体性及密封性强。

在选用国产代用耐火材料时，应遵循三条原则：①保证所选各种耐火材料的理化指标满足卢奇公司的要求；②保证所选耐火材料有良好的施工性能，尤其是耐火烧注料；③所选耐火材料必须经过实践验证。根据这三条原则，经对国内十几家有实力的耐火材料生产厂家进行实地考察、比较筛选后，最终选择了６家耐火材料厂，经过与国外耐火材料的各项性能指标进行对比，所选用的国内耐火材料和卢奇公司的耐火材料性能指标接近，有些性能指标甚至超过了国外指标

（见表１）。

二、氧化铝循环沸腾焙烧炉耐火材料的应用

循环沸腾焙烧炉整个装置所用耐火材料共计７６２ｔ，主要有浇注料、耐火砖、硅酸钙板、硅酸铝纤维和耐火泥五大类，以及固定耐火材料的锚固件。

１、工作层用耐火材料

耐火浇注料共计３５１ｔ，用于一级文丘里、冷却旋风筒、流化床冷却机、所有管道、烟道及沸腾焙烧炉下部和旋风筒的锥体部分，多为双层或三层。

耐火砖共用２６９ｔ，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里干燥器以及烟道等。

根据沸腾焙烧炉的工艺特点和不同的工艺参数及工况条件，工作层所用耐火材料的种类及层数不同。根据使用温度、物料性质，所有工艺管道进行轻质和重质浇注的配置，主要设备内衬采用绝热＋隔热＋耐火砖的工作层配置，使耐

火材料节能效果更好。

２、隔热耐火材料

隔热耐火材料有轻质浇注料、轻质隔热砖、硅酸钙板和

耐火纤维。

浇注料

主要用在流化床冷却机、冷却旋风筒、一级文丘里干燥器及二级文丘里干燥器等主要设备的顶部和所有管道和烟

道里面。

保温砖

保温砖共用４１．７６ｔ，主要用在流化床冷却机、一级文丘里干燥器和二级旋风分离器。

硅酸钙板

硅酸钙板共用９７．５ｍ３，有５０ｍｍ厚和３０ｍｍ厚两种规格，主要用在沸腾焙烧炉、循环旋风筒、冷却旋风

筒及一级文丘里干燥器等。

耐火纤维

耐火纤维共用２．５ｔ，分为板类、毡类和毯类，主要用在膨胀缝、伸缩节、支架和入孔以及各种工艺孔周围。

锚固件

锚固件是内衬的主要组成部分，其作用是使内衬与炉壁

牢固地结合。

锚固件的分布与炉温、耐火材料的性质、炉衬厚度、使用部位和所选用的锚固件形状及材料有关，有１５种类型、４０种规格，重量约３０００ｋｇ的锚固件系统对炉衬的应力分布及热胀冷缩热应力的均衡、延长炉衬寿命，起至关重

要的作用。

三、效果及存在的问题

１、效果与启示

①该炉子在耐火材料使用中注重隔热材料的使用，在高温设备沸腾焙烧炉和循环旋风筒上均采用五层耐火材料，四层隔热材料，保温效果很好。尽管炉子内部温度高达１１００℃，但炉体外表温度仅为７０℃左右。其它部位均有二层或三层隔热材料，故炉子整体热效率很高。

②不同设备、不同工况条件，选用不同的耐火材料，使耐火材料的使用比较经济、合理，对今后耐火材料的选用有

一定的启示。

③不同炉温、不同耐火材质、不同炉衬厚度、不同使用部位，所用锚固件的形状、分布及材质不同。

④沸腾焙烧炉、循环旋风筒、二级旋风分离器、二级文丘里等拱顶采用异型砖逐环砌筑，环与环之间子母相扣，保障了球形拱顶的整体性能。解决了浇注料施工麻烦、养护时间长、损毁后难修补的问题。

２、存在问题

在不到３年的应用中，沸腾焙烧炉内因二级文丘里干燥器、烟道等处红炉，曾停炉检修４次，原因有以下几点。

结构不合理

二级文丘里到二级旋风筒的通道高２．５ｍ，宽１．７ｍ，砖厚仅为１８０ｍｍ，且分两层（６５ｍｍ和１１５ｍｍ），尽管设置有锚固件，但仍显不稳，使用不到一年即掉砖。遂在大修时进行改进，保持内表面积不变，高度不变，外壳加宽１１５ｍｍ，耐火砖加厚１１５ｍｍ，改为６５ｍｍ保温砖和２３０ｍｍ耐火砖。改后的运行效果较好。

砖缝及膨胀缝较大

此炉设计的耐火砖在位置高度上一般每间隔３．５ｍ留有２５ｍｍ的臌胀缝，根据我国耐火材料的线变化，在１４５０℃、保温２ｈ，线收缩一般为＋０～－０．２％，热膨胀系数３００～４００℃时为０．１％，故２５ｍｍ的膨胀缝过大。停炉时透过所有膨胀缝可看到外层钢板。故根据理论要求，膨胀缝留７～８ｍｍ。

二级文丘里、二级旋风筒及连接过道的耐火砖强度低，不耐磨

开炉２年多以来，二级旋风筒的耐火砖由厚１１５ｍｍ磨损至局部仅为２０ｍｍ，二级文丘里的耐火砖磨损仅为７０ｍｍ左右，连接过道耐火砖已更换两次，此处所选砖的强度只为３４ＭＰａ，说明此处的耐火砖不符合工艺要求。此外气流流速大，氧化铝对其的冲刷严格，应使用高强耐磨砖，因此在高铝质骨料中添加耐磨骨料，以增强耐火砖的耐磨性。耐磨骨料如刚玉、板状刚玉等都具有高耐火度、蠕变小、高密度、热震稳定性好、耐磨性好等优点，在该部位试用高强度耐磨砖，可显著提高内衬的使用寿命。

浇注料之间施工缝隙过大

沸腾焙烧炉与循环旋风筒之间的过道顶部为三层浇注料、两层保温浇注料、一层耐火浇注料，锚固件为ＳＴ－２０－２１型，由于施工缝隙过大，氧化铝穿过施工缝冲刷锚固件，导致锚固件断裂，浇注料脱落，影响生产。采用的措施包括增强锚固件的焊接强度，改进施工工艺；减少保温浇注料厚度，过道两端全部改为耐火浇注料，减少施工缝等。中铝山东分公司为提高氧化铝生产工艺和技术装备水平，从德国卢奇公司引进一套产能为１６００ｔ／ｄ氧化铝工艺技术及自动化水平高的流态化循环沸腾焙烧炉。１９９７年９月点火烘炉、投运。随后安装的一套于２００１年１１月点火。此套装置所用的耐火材料内衬为硅酸钙板、轻质浇注料、耐火浇注料、耐火粘土砖和耐火纤维及锚固件。