圖1  二位調(diào)節(jié)內(nèi)部繼電器工作及時(shí)間溫度控制曲線

    從圖1可以看出，這是一種典型的二位式升溫控制調(diào)節(jié)儀，當(dāng)測(cè)量值低于設(shè)定值X1時(shí)，繼電器吸合，加熱開時(shí)，當(dāng)加熱至X2時(shí)，繼電器釋放，停止加熱，而此時(shí)的設(shè)定溫度值應(yīng)為X（X1+X2）/2；X1～X2反映出儀表的不靈敏區(qū)。
在圖1的控制曲線上，當(dāng)被測(cè)溫度從高向低達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出繼電器帶滯后一個(gè)“熱惰性溫度值”才能再次吸合。

(2)  三位式調(diào)節(jié)

    三位式調(diào)節(jié)一般通過溫度調(diào)節(jié)儀內(nèi)部?jī)蓚€(gè)繼電器的觸點(diǎn)工作狀態(tài)構(gòu)成調(diào)節(jié)儀三種不同的輸出狀態(tài)：即“升溫加熱”、“保溫加熱”及“停止加熱”。通常三位調(diào)節(jié)可采用兩組加熱負(fù)載，當(dāng)實(shí)際測(cè)量值低于下限設(shè)定值X下時(shí)，上、下限繼電器J上、J下均吸合（上、下限繼電器為總低通、總高斷），此時(shí)工作狀態(tài)為“升溫加熱”狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際測(cè)量值溫度升至高于設(shè)定值X下，但低于上限設(shè)定值X上時(shí)，下限繼電器J下釋放，上限繼電器J上吸合（下限繼電器J下總低斷、總高通；上限繼電器仍為J上總低通、總高斷），此時(shí)工作狀態(tài)為“保溫加熱”狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際測(cè)量值溫度升至高于設(shè)定值X上時(shí)，此時(shí)上限繼電器J上釋放（上、下限繼電器均為總低斷、總高通），調(diào)節(jié)儀工作狀態(tài)為“停止加熱”狀態(tài)。

    三位式控制比兩位式控制精度高，如在相同的工作環(huán)境下，升溫速度快，而溫度過沖較小，對(duì)三種工作狀態(tài)，用相應(yīng)的LED（紅、綠色）進(jìn)行階段指示，會(huì)使控制儀工作階段更加明晰直觀。三位式控制還可利用上、下限繼電器工作狀態(tài)，根據(jù)需求設(shè)置超溫或欠溫報(bào)警。

    三位調(diào)節(jié)內(nèi)部繼電器工作及時(shí)間溫度控制曲線如圖2所示。

圖2  三位調(diào)節(jié)內(nèi)部繼電器工作及時(shí)間溫度控制曲線

(3)  時(shí)間比例調(diào)節(jié)

    時(shí)間比例調(diào)節(jié)方式是當(dāng)實(shí)際溫度進(jìn)入設(shè)定溫度（即比例帶）時(shí)，繼電器即開始周期性地吸合、釋放；通過吸合與釋放時(shí)間比值來改變加熱負(fù)載的平均加熱功率，從而改變溫度的目的。

    當(dāng)實(shí)際溫度未進(jìn)入比例帶時(shí)，繼電器吸合（總低通）負(fù)載加熱升溫進(jìn)入比例帶后，繼電器工作狀態(tài)根據(jù)溫度的變化而變化：溫度越高，繼電器吸合（總低通）時(shí)間越短，溫度越低，繼電器吸合（總低通）時(shí)間越長(zhǎng)，如此時(shí)負(fù)載上的加熱功率和散熱功率達(dá)到熱平衡時(shí)，溫度可穩(wěn)定在某一值上。如穩(wěn)定值得與所需值有偏差，可轉(zhuǎn)動(dòng)“手動(dòng)再調(diào)”電位器，直至與所需值相符即可。

    時(shí)間比值 ，其中：T1―吸合時(shí)間、T2―釋放時(shí)間、T1+T2為時(shí)間比例周期。P與繼電器吸合狀態(tài)如圖3所示。

    時(shí)間比例調(diào)節(jié)與位式調(diào)節(jié)相比較，由于其周期性吸放由偏差控制的，因此控制的溫度波動(dòng)較小，在有擾動(dòng)時(shí)，被控對(duì)象能較快趨向于平穩(wěn)，不易產(chǎn)生持續(xù)振蕩現(xiàn)象。

圖3  P與繼電器吸合狀態(tài)

(4)  連續(xù)移相觸發(fā)可控硅調(diào)節(jié)

    移相觸發(fā)可控硅調(diào)節(jié)是隨著測(cè)量值和設(shè)定值的偏差變化，在一定范圍（比例帶）內(nèi)，控制可控硅導(dǎo)通角的大小，即可連續(xù)改變負(fù)載的加熱電壓，從而進(jìn)行溫度控制。

    移相觸發(fā)可控硅調(diào)節(jié)是采用連續(xù)緩慢調(diào)壓的方式調(diào)節(jié)加熱功率。因此，當(dāng)加熱系統(tǒng)的散熱功率和加熱功率趨于平衡時(shí)，溫度可穩(wěn)定在期望值上，由于采用無觸點(diǎn)開關(guān)可控硅，可以減少環(huán)境噪聲，控溫效果好，而且可顯著延長(zhǎng)加熱器的使用壽命。移相觸發(fā)控制優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓連續(xù)可調(diào)，但易在控制時(shí)產(chǎn)生射頻干擾。

連續(xù)移相觸發(fā)可控硅調(diào)節(jié)加熱電壓與設(shè)定溫度曲線以及時(shí)間和溫度曲線如圖4所示。

圖4  加熱電壓與設(shè)定溫度曲線以及時(shí)間和溫度曲線

    當(dāng)X設(shè)定值<X1時(shí)，負(fù)載電壓在90%以上，隨著加熱溫度不斷升高，進(jìn)入X2－X1比例帶后，負(fù)載電壓隨之降低，一般到比例帶上沿X2時(shí)，此時(shí)負(fù)載電壓已只有5%左右，從而對(duì)溫度進(jìn)行有效的控制。

(5)  過零觸發(fā)調(diào)節(jié)

    過零觸發(fā)可控硅調(diào)節(jié)原理與比例式調(diào)節(jié)相同，不同之處是可控硅替代繼電器，使加熱器件電壓在電壓過零時(shí)開啟負(fù)載過零時(shí)關(guān)斷，與移相觸發(fā)相比因具有上述過零觸發(fā)調(diào)節(jié)功能在實(shí)際控制中不易產(chǎn)生射頻干擾，其余如控制精度、控制曲線均相同，該調(diào)節(jié)可分為單相可控硅過零觸發(fā)調(diào)節(jié)和三相可控硅觸發(fā)調(diào)節(jié)。

(6)  PID調(diào)節(jié)方式

    PID調(diào)節(jié)方式是將測(cè)量值和設(shè)定值的偏差信號(hào)經(jīng)比例積分、微分運(yùn)算，處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來達(dá)到自動(dòng)控制的要求，在比例調(diào)節(jié)之外，輸出的階躍響應(yīng)具有正常的積分、微分輸出特性，使調(diào)節(jié)作用快速及時(shí)、消除靜差、偏差的能力很強(qiáng)，尤其是在溫度滯后系統(tǒng)的控制中，將這三部分常數(shù)調(diào)節(jié)到合適的數(shù)值：如TD預(yù)調(diào)時(shí)間（微分時(shí)間），TI再調(diào)時(shí)間（積分時(shí)間），比例帶P，則在PID自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中因其迅速穩(wěn)定、高精度的控制從而得到較為廣泛的應(yīng)用。

2.4  按報(bào)警方式分

溫度調(diào)節(jié)儀按報(bào)警方式可以分為三種：

(1) 無報(bào)警；
(2) 上限最高溫度報(bào)警；
(3) 下限最低溫度報(bào)警。

3  傳感器配用

    溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。若沒有它對(duì)原始的各種參數(shù)進(jìn)行精確、可靠的測(cè)量，那么信號(hào)轉(zhuǎn)換以及溫度數(shù)據(jù)顯示和控制環(huán)節(jié)也失去了精確的自動(dòng)檢測(cè)和控制。
溫度調(diào)節(jié)儀配用傳感器類型常用有以下幾種：

3.1  熱電偶

根據(jù)所測(cè)溫度范圍和使用場(chǎng)所（氧化環(huán)境和還原性場(chǎng)所）以及熱電偶的分度號(hào)，選擇可參考表1。

熱電偶的優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)  熱電偶是將溫度變換成相應(yīng)的電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，便于數(shù)據(jù)處理；

(2)  測(cè)量范圍寬，可根據(jù)靈敏度與壽命要求方便選用熱電偶的種類與線徑；

(3)  測(cè)量方法簡(jiǎn)便，價(jià)廉易配；

(4)  狹小范圍處以及遠(yuǎn)距離測(cè)量都很便易和測(cè)量誤差小。

綜上所述，熱電偶是測(cè)量溫度最常用的傳感器之一。

表1  熱電偶選擇

3.2  熱電阻

熱電阻傳感器是檢測(cè)金屬電阻隨溫度變化而測(cè)量溫度的傳感器，常用的有鉑熱電阻和銅電阻。

(1)  鉑電阻（Pt100）

    金屬鉑的物理、化學(xué)性能穩(wěn)定，鉑電阻阻值隨溫度變化的線性度好，由于鉑為貴金屬因此一般用于高精度工業(yè)測(cè)量。

(2)  銅電阻

    銅電阻一般只適用于-50~+150℃范圍內(nèi)的測(cè)量，因銅電阻在此溫度范圍內(nèi)性能穩(wěn)定，且電阻與溫度的關(guān)系也最接近線性。熱電阻的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，一般將電阻絲雙線繞在云母、石英、陶瓷和塑料等絕緣骨架上，經(jīng)過固定，外面再加上相應(yīng)的保護(hù)套管。熱電阻溫度計(jì)的測(cè)量電路采用精度較高的電橋電路。一般為減小連接導(dǎo)線電阻隨溫度變化而造成的測(cè)量誤差，通常采用三線和四線連接法。

    如在使用時(shí)需延長(zhǎng)三根引線時(shí)，則三根引線應(yīng)選用同一材料，同一長(zhǎng)度，同截面積，并且每根引線的阻值不應(yīng)超過5Ω，以保證其測(cè)溫精度。

3.3  集成溫度傳感器

    所謂集成溫度傳感器是將熱敏晶體管及其輔助電路集成在同一個(gè)芯片上的溫度傳感器，最大優(yōu)點(diǎn)在于輸出結(jié)果與絕對(duì)溫度成正比，有良好的線性輸出，同時(shí)因具有體積小、使用方便、成本低而廣泛用于溫度檢測(cè)、控制和許多溫度補(bǔ)償電路中。

(1)  電壓型集成溫度傳感器

    輸出電壓與溫度成正比的傳感器。

(2)  電流型集成溫度傳感器

    電流型集成溫度傳感器等效于一個(gè)高阻抗的恒流源，在一定工作電壓范圍內(nèi)工作時(shí)，輸出的電流嚴(yán)格按熱力學(xué)溫度變化而呈線性變化，則輸出的電流值就反映出被測(cè)溫度值。

4  溫度調(diào)節(jié)原理

4.1  原理框圖（如圖5所示）

圖5  原理框圖

框圖分析如下：

(1)  感溫元件  主要用熱電偶或熱電阻，其作用是把測(cè)量的溫度值轉(zhuǎn)換成電壓量或電阻量。

(2)  輸入橋路  將熱電偶產(chǎn)生的熱電勢(shì)，并對(duì)熱電偶的冷端進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償或?qū)犭娮桦S溫度變化的電阻信號(hào)通過三線輸入轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

(3)  線性化器  由于感溫元件與被測(cè)溫度之間呈非線性關(guān)系，因而要對(duì)它的輸出進(jìn)行補(bǔ)償以保證其測(cè)量精度。

(4)  放大電路  熱電偶的輸出電壓很小，一般每度只有數(shù)十微伏的輸出，這就需要運(yùn)算放大器對(duì)熱電偶的輸出電壓進(jìn)行放大處理，以便進(jìn)行測(cè)量。

(5)  A/D轉(zhuǎn)換器  將輸入模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，再由A/D內(nèi)部譯碼驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管工作，使示值清晰，直觀可靠。

(6)  設(shè)定信號(hào)  將所需測(cè)量溫度值設(shè)入（電位器或撥碼設(shè)入）確定比較器輸入端的基準(zhǔn)比較（電壓信號(hào)）值，與經(jīng)放大電路處理的信號(hào)進(jìn)行比較。

(7)  控制電路及輸出部分  經(jīng)比較器輸出信號(hào)按不同控制方式執(zhí)行調(diào)節(jié)電路，位式調(diào)節(jié)輸出的是繼電器的開關(guān)信號(hào)，連續(xù)調(diào)節(jié)式儀表是移相脈沖，過零脈沖或直流信號(hào)。

4.2  典型原理分析以熱電偶作外接傳感器為例（如圖6所示）

    當(dāng)被檢測(cè)溫度通過有塞貝克效應(yīng)制成的溫度傳感器時(shí)，則會(huì)在熱電偶兩端輸出熱電動(dòng)勢(shì)V(T )，而輸出的電勢(shì)應(yīng)由e(T )和e(T0)組成V(T )=e(T )－e(T0)。其中e(T )是熱電偶熱端（工作端）的電勢(shì)，也是隨被測(cè)溫度T的變化而變化，是需要取得的信號(hào)；另外還有熱電偶冷卻端電勢(shì)e(T0)它是隨環(huán)境溫度變化的，在檢測(cè)溫度過程中，要求它穩(wěn)定，才能保證其準(zhǔn)確地檢測(cè)出被測(cè)溫度值。

    由RP1、R6、R7、R8、Rt組成一個(gè)補(bǔ)償電橋，串接在熱電偶輸出回路中，使其電橋的輸出V(T0)=e(T0)，對(duì)熱電偶在檢測(cè)過程中來克服熱電偶冷端e(T0)的影響，總的輸出e(T )=V(T )+V(T0)從而消除了e(T0)誤差影響。在補(bǔ)償電橋中選擇適當(dāng)Rt，則可在一定溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)其完全補(bǔ)償，使熱電

圖6  熱電偶作外接傳感器