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1、低温与超导 第 39卷? 第 1期低温技术 CryogenicsCryo . PID控制; 继电器; 温控系统The design of a temperature control system used in the apparatus form easuring the hydrogenstorage performance of the metal- organic frameworks at low- temperature Chen Shumin, ShiYumei( Institute ofRefrigeration and Cryogenic Engineering, Shang
2、hai Jiaotong University , Shanghai 200240, China)Abstract : This paper designed a te mperature control syste m used in the apparatus for measuring the hydrogen storage per ?for mance of themetal- organic fra meworks (MOFs) at lo w- te mperature . The cold source of the apparatuswas the cycled liquid
3、nitrogen. According to the te mperature signals in the apparatus,the temperature control syste m used PID temperature controllersand relays to adjust the heat of the heatingw ires. It couldmeet the required te mperature range of the apparatus and stabilize at ate mperature . This te mperature contro
4、l syste m could also achieve the continuous adjustment in aw ide lo w temperature range . M o?reover ,itwas si mple and easy to operate .K eywords : The measuring apparatus, PID contro, l Relay , Te mperature control syste m1? 引言金属有机骨架 (MOFs)材料作为一种新型的 功能材料, 以其自身优良的特性, 如比表面积大、合成方便等, 在氢的存储方面表现优异。因此, 设
5、计相应的测试装置, 对其低温储氢性能进行研究 就显得尤为重要。而测试装置的关键组成部分就是温控系统的设计。本文中的测试装置以循环液 氮作为冷却工质, 能够在低温宽温区范围内对MOFs材料进行低温储氢性能进行测试。本文所 设计的温控系统主要利用 PID温控仪, 并结合继电器根据测试装置内的温度信号对加热丝的加热 量进行调节, 来实现低温宽温区范围内温度的连续调节, 满足测试装置所需的测试温度范围, 并能 恒定在某一测试温度下进行试验。 。2? 测试装置本文所涉及的测试装置结构示意图如图 1所示, 由低温恒温器及控温系统、 氢气供给系统、 抽真空系统和数据测量及采集系统组成。 低温恒温器为内外双层
6、金属杜瓦, 内杜瓦及样品室外壁均缠绕有加热丝和冷却盘管。以循环液氮作为冷却工质, 并结合电加热来实现低温宽温区范围内的温度调节和控制, PID温控仪根据 恒温器内的温度信号对加热丝的加热量进行调节, 保证温度的稳定。压力传感器及温度采集仪将测得的数据传输到数据采集系统。低温恒温器的内杜瓦与外杜瓦法兰焊接成一体, 样品室法兰 布置在下方, 便于不同样品的更换。? ?1. 液氮杜瓦; 2. 高压氢气钢瓶; 3. 氢气充注阀; 4. 压力传感器; 5 . 样品室抽真空阀; 6. 真空机组; 7. 氢气排气阀;8. 样品室安全阀; 9. 温度采集仪; 10. 数据采集计算机; 11.PI D温控仪;
7、12. 氮排出阀; 13. 航空接头; 14 . 氮排出阀;15. 氮气充注阀; 16. 阀; 17 . 外杜瓦抽真空阀; 18 . 测温热电偶; 19 . 控温热电偶; 20. 样品室; 21. 样品室加热丝; 22 . 内杜瓦冷却盘管; 23 . 样品室冷却盘管; 24. 内杜瓦加热丝;25. 外杜瓦; 26. 内杜瓦; 27 . 样品室法兰; 28. 真空规管; 29.外杜瓦法兰; 30. 内杜瓦法兰; 31 、 32. 液氮充注阀; 33 . 内杜瓦安全阀图 1? 测试装置结构示意图Fig . 1? Schematic diagra m of apparatus3? PID控制 1-
8、4PID控制是比例、 积分、 微分控制的简称, 它是最早发展起来的控制策略之一。由于其算法简单、 鲁棒性好、 可靠性高、 适用面广和使用方便简 单等优点, 被广泛应用于工业过程控制, 尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统, 至今仍有 90 % 左右的控制回路具有 PI D结构。常规 PID控制系统原理图如图 2所示。系统由 PI D控制器和被控对象组成。图 2?PI D控制系统原理图Fig . 2?Sche matic of PI D controlsystem 它是将被测参数, 如温度、 压力、 流量等由传感器变换成统一的标准信号输入控制器, 在控制器中与给定值进行比较, 再把比较出
9、的差值经PID运算后送到执行机构, 改变输入量, 以达到自动调节的目的。特别在工业过程控制中由于控制 对象的精确数学模型难以建立, 系统的参数又经常发生变化, 运用现代控制理论分析综合要耗费很大代价进行模型辨识, 且往往不能得到预期的效果, 所以常采用 PID控制器。 在 PID控制器中, 比例环节能及时成比例地反应控制系统的偏差信号 e( t), 偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用, 以减少偏差。但比例环节不能消除稳态误差, 当过大时会引起系统不 稳定; 积分环节主要用于消除静差, 保证被控量在稳态时对设定值的无静差跟踪, 提高系统的无差度。当积分作用太强时, 会使系统超调加大, 甚至使系
10、统出现振荡; 微分环节主要是改善整个闭环系统的稳定性和动态响应速度。 随着微机技术和智能控制理论的发展, 出现了许多新型 PI D调节器, 例如模糊 PID、 神经 PI D、预测 PID等, 对于复杂对象, 其控制效果远远超过 常规 PI D控制。综合考虑各种因素, 本文所设计的温控系统采用 PI D调节控制, 选用 XTM 系列 PI D温控仪,输出形式为继电器输出, 精度为 0. 3 。4? 继电器 5- 7继电器是自动控制中常用的一种电子元件,它是利用电磁原理、 机电或其他方法实现接通或断开一个或一组接点的一种自动开关, 以完成对电路的控制功能。继电器在自动控制电路中起控 制与隔离作用
11、, 它实际上是一种可以用低电压小电流来控制大电流、 高电压的自动开关 5。继电器的触点形式主要有动合型 ( H 型 )、 动断型 ( D型 )和转换型 ( Z型 )三种。动合型是指继电器线 圈不通电时触点断开, 反之触点闭合; 动断型是指继电器线圈不通电时触点闭合, 反之触点断开; 而转换型继电器一般有三个触点, 即中间是动触点,上下各一个静触点。线圈不通电时, 动触点与其 中一个静触点断开, 而与另一个静触点闭合。线圈通电后, 动触点就移动, 使原来断开的转换成闭合状态, 原来闭合的转换成断开状态, 达到转换的目的。此外, 继电器的分类方法也很多, 可以按作?8? ? ? ? ? ? ? ?
12、 ? ? ? ?低温技术? Cryogenics? ? ? ? ? ? ? ?第 1期用原理、 外形尺寸、 保护待征、 触点负载、 产品用途等分成不同的种类。目前, 常用的继电器有电磁继电器和固态继 电器两种。而电磁继电器因其工作可靠、 结构简单、 制造方便、 寿命长等一系列优点, 被广泛应用在机电传动系统, 约有 90 % 以上的继电器为电磁式 6。电磁继电器是利用电磁感应原理进行工作的, 通常由一个带铁芯的线圈, 一组或几组带接点的簧片组成。当线圈中有控制电流通过时, 就会产生电磁效应, 衔铁就会在电磁力吸引的作用 下克服弹簧片的应力吸向铁芯, 从而带动衔铁的动触点与静触点 (常开开触点
13、)吸合。当线圈断电后, 电磁力也随之消失, 衔铁就会在弹簧片的应力作用下返回原来的位置, 使动触点与原来的静 触点 (常闭触点 )断开。这样通过吸合、 断开就达到了接通、 或切断被控电路的目的, 从而可以对被控电路进行控制。其结构示意图如图 3所示。图 3? 电磁继电器内部示意图Fig . 3? Sche matic diagra m of the internal electromagnetic relay综上考虑, 在本文的设计中, 选用电磁式继电器, 触点形式为动合型, 型号为 JQX- 13F。5? 温控方案设计从图 1中可以看出, 测试装置有两个独立的温控回路, 所以相应的设备也需要
14、两套。因为这两个温控回路相似, 所以设备可以选用相同的型号, 接线图也完全相同, 如图 4所示。该温控系统主要由 PID温控仪、 热电偶、 继电器、 加热丝和直流电源等组成。热电偶与温控仪的热电偶接线端相连, 继电器的触点端与温控仪的常开触点、 公共触点、 电源端及 220V 的交流电源串联组成第一回路, 而继电器的输出端与加热丝和直流电源串联组成第二 回路。其中, 直 流电源的型 号为WYJ60 V- 2A可调式直流稳压电源, 加热丝功率分别为 30 W 和 100 W, 热电偶选用铜 - 康铜热电偶。图 4? 接线图F ig . 4? D iagram of connection在正常工作
15、时, 如果热电偶测得的温度比PID温控仪所设定的温度小时, PI D温控仪的常 开触点就会闭合, 第一回路接通, 电流通过继电器的线圈, 致使继电器触点闭合, 第二回路接通, 加热丝工作来缩小温差。反之, 第一回路与第二回 路都处于断开状态, 加热丝不工作。6? 结论测试装置的设计对 MOFs材料低温储氢性能的研究尤为重要, 而温控系统的设计又是测试装置的关键组成部分。在此背景下, 设计了一套温控系 统,它根据所测得的温度信号, 利用 PID温控仪来控制继电器的通断, 进而控制加热丝的加热量, 在低温宽温区范围内实现对温度的连续控制, 满足测试装置所需的温度范围, 且系统简单, 操作方便。参考
16、文献 1 孙旭日. 恒温育种箱的设计与制作 D. 南昌: 南昌大学, 2009 , 8- 9 . 2 李英. 低温双平板保护法导热系数测定仪的开发 D. 天津: 天津大学, 2007, 43- 44. 3 国强. 高精度连续可调型恒温器 D. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学,2003 , 38- 40 . 4 刘学君. 反应釜温度控制系统的研究 D. 河北: 燕山大学, 2004 , 8- 9. 5 张军. 电子元器件检测与维修从入门到精通 M .北京: 科学出版社, 2009, 270- 274. 6 陈白宁, 段智敏, 刘文波. 机电传动控制基础 M .沈阳: 东北大学出版社, 2008, 162 . 7 尹仕. 电工电子工程基础 M . 武汉: 华中科技大学出版社, 2009 , 147- 149.?9?第 1期? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?低温技术 ? ? Cryogenics? ? ? ? ?
