温度控制器与温度特性

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《塑料挤出制品生产工艺手册》第94页（3139字）

(一)温度控制器

温度控制器有两种类型：模拟型和数字型。模拟型控制器包含许多元件：电阻、电器、积分电路、操作放大电路，并通过这些元件执行其控制算法。在数字型控制器中，微处理机取代有积分电路逻辑芯片的模拟单元的分立元件。此控制器接模拟输入，将其转换为数字信号，然后通过微机操作的存储计算机程序执行其控制算法。

以微处理机为基础的控制器，有通过简单改变程序的少数步骤即能快速改变控制功能的巨大灵活性。因此，控制器功能可通过改变软件加以改进而无需对硬件作任何变动。温度控制器不能处理对加热圈提供电能所需的高电流，因此，在温度控制器和加热圈之间连接功率控制器。

机头上使用的温度控制器只有加热装置，因为流过机头的料流在内部产生的热很容易散失。与料筒控制器相似，这些装置通常是比例装置，很少要求比例复位特性。机头加热器主要是用来预热机头，以及防止料流流过机头时产生的热散失。在特殊情况下，机头温度必须保持不同，当塑料流过机头时比平时更高，结果机头温度控制变得更为苛刻。

迄今为止讨论的都是传统的分散仪器温度控制系统。近年来逐渐向集成化温度控制模式方向发展。它决定了所有挤出机状态的条件以及调整好适当的参数以便稳定运行时，在计算机控制下的挤出成型的趋势将有一定的发展。在该方案中，检测器整齐地置于挤出机之上。检测器的输出信号输入到一个可调整存储系统的仪器，为挤出机每一控制区存储设定信号，该仪器还有一微处理器扫描所有的输入温度，并把它们与预先设定值进行比较。若温度偏低，加热程度就要提高，反之，若偏高，冷却程度就要提高，有一个特定的可读循环周期。循环周期很短，每分钟数次，所以温度测量和控制都很精确。在大多数情况下，有附加信息存储系统。使该系统能像比例快速复位控制器一样运行。

作为控制各台挤出机的集散控制系统可以实现调节各台挤出机料筒温度、压力、速度等参数，以获得最大的生产效率及最佳的产品质量。在此控制系统中，熔融温度通常是可读的，否则就要调节料筒温度使其在理想的范围之内，料筒温度也会涉及到挤出机速度。它还可以储存数据，允许在挤出机的适当部位对设定进行内部调整，使熔融温度回到理想值。由于这些功能仍受到挤出机速度的影响，因此，数据就能反映出这一点。

(二)时间－温度特性

挤出机的实际温度怎样由于温度控制器的动作而变化，这个不仅是控制器的设计者要考虑的，同时，挤出机的操作者也要有所了解。下面简单谈谈系统的热特性。

系统的热特性决定输出信号(温度)怎样随输入(热)变化而改变。测定系统特性的最简单而最通用方法是测量温度对加热功率中阶跃变化的瞬时响应，见图4－9。

图4－9 加热器功率阶跃变化的温度响应

这种温度－时间曲线常称为过程反应曲线或简称为响应曲线。

由响应曲线可以确定了解系统行为的几项重要参数。空载时间(t_d)是达到最大温度梯度的交点时间。常数K_s表示最大温度升高与功率阶跃变化的比。时间常数(t_。)是最大温度变化(△Z_max)除以最大温度梯度。

挤出机的空载时间范围为1～5min，这意味着功率输入水平变化的影响到1min以后才能觉察。这种热滞后时间受温度传感器深度、料筒导热率和料筒加热器设计的影响。挤出机的典型时间常数范围为30～120min，此数值取决于热容量和挤出机料筒的比热与质量。

能用这些参数大约预测温度控制的难易程度：当t_d／t_c≤0．1时易控制：0．1＜t_d／t_c＜0．3时，相当好控制；当t_d／t_c≥0．3时难控制。

(三)通－断控制的温度特性

简单通－断控制器的近似时间／温度特性较易目测。如果考虑双重输出通－断控制，则典型的温度－时间曲线见图4－10。

图4－10 双重输出通－断控制的典型温度－时间曲线

如果系统因环境温度升温，则加热功率将在达到下式温度时断开：

T_h0=T_s－1／2△T_n (4－1)

式中，T_s为对称安排的设定点，△T_n为无加热和冷却发生的中空温度，也称之为空载区。如果系统中存在空载时间，温度在这段时间内将继续上升。当温度达到T_c1时，冷却即开动。然而，如果空载时间t_d足够长，则实际温度会继续上升。

T_c1=T_s+1／2△T_n+△T_h (4－2)

式中 △T_h——滞后回路宽度。

当空载时间消逝时，温度即开始下降。当温度下降至T_h1以下时，冷却即停止。

T_c0=T_s+1／2△T_n (4－3)

温度在t_d时间内将继续下降。当温度下降至T_h1时，加热再次启动。经过另一个t_d时间后，温度将再次开始增高。如果过程的热条件保持相同，则温度循环将重复进行。最大温度T_max为：

T_max=T_h0+t_d·v_h (4－4)

式中 v_h——加热时升温速率。

最小温度T_min为：

T_min=T_。0－t_d·v_。 (4－5)

式中 v_。——冷却时的降温速率。

最大温度涨落△T_max为：

△T_max=T_h0－T_c0+t_d(v_h+v_c)

=△T_n+t_d(v_h+v_c) (4－6)

如果中高区的典型值为10℃，空载时间典型值为2min，温度变化率为6℃／min，则最大温度涨落为34℃。假设加热时温度变化速率与冷却相同(v_h=v_。)，这些是挤出机双重输出通－断控制器的典型值。如果要求精确的温度控制，则通－断控制由于产生巨大的温度波动而很不理想。

如果中立区足够宽，则温度可能达不到冷却起动点。如果：

v_h·t_d＜△T_n+△T_h (4－7)

则可避免冷却。此种状况见图4－11。

图4－11 无冷却的温度－时间曲线

在这种情况下，最大温度涨落为：

(4－8)

在这种情况下，因是被动冷却，故冷却温度变化率很慢。这就是说，料筒冷却未起作用，温度下降仅仅由于系统中的热损失。如果△T_h=1℃，t_d=2min，v_h=6℃／min和，则最大温度涨落为△T_max=17℃。因此，与第一种情况相比，温度波动的幅度减少一半。然而，在大多数挤出操作中，即使17℃的温度波动仍然是不能接受的。