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

    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)測量值低于設(shè)定值X1時，繼電器吸合，加熱開時，當(dāng)加熱至X2時，繼電器釋放，停止加熱，而此時的設(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)被測溫度從高向低達(dá)到設(shè)定值時，輸出繼電器帶滯后一個“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)部兩個繼電器的觸點(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)際測量值低于下限設(shè)定值X下時，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），此時工作狀態(tài)為“升溫加熱”狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際測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，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），此時工作狀態(tài)為“保溫加熱”狀態(tài)；當(dāng)實(shí)際測量值溫度升至高于設(shè)定值X上時，此時上限繼電器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，對三種工作狀態(tài)，用相應(yīng)的LED（紅、綠色）進(jìn)行階段指示，會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)置超溫或欠溫報警。

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

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

(3)  時間比例調(diào)節(jié)

    時間比例調(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，繼電器即開始周期性地吸合、釋放；通過吸合與釋放時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，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）時間越短，溫度越低，繼電器吸合（總低通）時間越長，如此時負(fù)載上的加熱功率和散熱功率達(dá)到熱平衡時，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“手動再調(diào)”電位器，直至與所需值相符即可。

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

    時間比例調(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較小，在有擾動時，被控對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，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)定溫度曲線以及時間和溫度曲線

    當(dāng)X設(shè)定值<X1時，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，此時負(fù)載電壓已只有5%左右，從而對溫度進(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開啟負(fù)載過零時關(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)方式是將測量值和設(shè)定值的偏差信號經(jīng)比例積分、微分運(yùn)算，處理后轉(zhuǎn)化為電壓信號去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來達(dá)到自動控制的要求，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、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)時間（微分時間），TI再調(diào)時間（積分時間），比例帶P，則在PID自動調(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  按報警方式分

溫度調(diào)節(jié)儀按報警方式可以分為三種：

(1) 無報警；
(2) 上限最高溫度報警；
(3) 下限最低溫度報警。

3  傳感器配用

    溫度傳感器是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。若沒有它對原始的各種參數(shù)進(jìn)行精確、可靠的測量，那么信號轉(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檢測和控制。
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)所測溫度范圍和使用場所（氧化環(huán)境和還原性場所）以及熱電偶的分度號，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，便于數(shù)據(jù)處理；

(2)  測量范圍寬，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)  測量方法簡便，價廉易配；

(4)  狹小范圍處以及遠(yuǎn)距離測量都很便易和測量誤差小。

綜上所述，熱電偶是測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金屬電阻隨溫度變化而測量溫度的傳感器，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)測量。

(2)  銅電阻

    銅電阻一般只適用于-50~+150℃范圍內(nèi)的測量，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。熱電阻溫度計的測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量誤差，通常采用三線和四線連接法。

    如在使用時需延長三根引線時，則三根引線應(yīng)選用同一材料，同一長度，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)果與絕對溫度成正比，有良好的線性輸出，同時因具有體積小、使用方便、成本低而廣泛用于溫度檢測、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高阻抗的恒流源，在一定工作電壓范圍內(nèi)工作時，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，并對熱電偶的冷端進(jìn)行自動補(bǔ)償或?qū)犭娮桦S溫度變化的電阻信號通過三線輸入轉(zhuǎn)換成電壓信號。

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

(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)算放大器對熱電偶的輸出電壓進(jìn)行放大處理，以便進(jìn)行測量。

(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)動數(shù)碼管工作，使示值清晰，直觀可靠。

(6)  設(shè)定信號  將所需測量溫度值設(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）值，與經(jīng)放大電路處理的信號進(jìn)行比較。

(7)  控制電路及輸出部分  經(jīng)比較器輸出信號按不同控制方式執(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，連續(xù)調(diào)節(jié)式儀表是移相脈沖，過零脈沖或直流信號。

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)被檢測溫度通過有塞貝克效應(yīng)制成的溫度傳感器時，則會在熱電偶兩端輸出熱電動勢V(T )，而輸出的電勢應(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，也是隨被測溫度T的變化而變化，是需要取得的信號；另外還有熱電偶冷卻端電勢e(T0)它是隨環(huán)境溫度變化的，在檢測溫度過程中，要求它穩(wěn)定，才能保證其準(zhǔn)確地檢測出被測溫度值。

    由RP1、R6、R7、R8、Rt組成一個補(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)，對熱電偶在檢測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