測量控制料道玻璃液溫度的裝置和方法

2023-07-25 10:39:41

專利名稱:測量控制料道玻璃液溫度的裝置和方法
本發明屬於測量、控制料道玻璃液溫度的裝置和方法。
本發明作出以前，國內外對測量、控制玻璃液溫度的裝置和方法主要採用1、幅射高溫計-「國際玻璃搪瓷簡報」第1期(1983)發表的「玻璃工業中的溫度測量」一文中作過介紹。
2、紅外溫度測控系統-「國際玻璃搪瓷簡報」第4期(1983)發表的「用新型測溫計控制玻璃料液的溫度」一文中作過介紹。
3、熱電偶。
4、「玻璃工業」第4期(1984)-「玻璃池爐自動控制系統」一文介紹了利用熱電偶測溫及燃油流量-溫度雙閉環調節系統對玻璃池爐自動控溫。
上述幾種測量、控制玻璃液溫度的裝置和方法，顯然存在著只能測量玻璃液表面溫度，而不能測量其內部溫度的缺陷，造成測量控制溫度的誤差較大，同時溫度變化的反應也較遲緩。據實測，玻璃液表面溫度傳送到其內部往往需要幾十分鐘，因此，對一般的溫度控制裝置將會帶來十分不利的影響，即使在該裝置上採用微電腦，其控制精度也難於達到±5℃。
目前，一般的玻璃液溫度控制裝置都採用溫度單閉環控制系統，雖然能有較高的靜態控溫精度，但動態特性較差，特別是當電網電壓變化時，會引起溫度的波動，這往往是玻璃拉管機上引起斷裂的主要原因之一。
日本採用一種熱電偶外套白金套管的測溫計使控溫精度達±0.5℃，但白金套管價值昂貴，一般使用單位難於接受。
中國「可控矽雙閉環穩速系統」1981年(輕工業出版社)一書中介紹了速度-電流雙閉環系統的應用原理及電子最佳調節原理在雙閉環中的應用，但是電流-溫度雙閉環自動控制系統進行控溫，特別是對料道玻璃液的溫度控制，在有關文獻中尚未發現。
中國「玻璃與搪瓷」第1期(1979年)「玻璃的電熔」一文中介紹了玻璃液在高溫下，呈離子化狀態，具有導電性能，其電阻值R隨溫度T而變化，圖1給出了R-T關係圖。但利用R-T特性測量玻璃液內溫度，在國內外有關文獻中尚未見報導，其主要原因是存在如下二個難點①欲要得到0.1%的測溫精度(即溫度解析度為1℃)就要求電阻值R的檢測精度至少為0.1%，從而要求電壓V及電流I的檢測精度至少也要達到這個水平。這對於直流信號或標準的正弦波信號來說，要達到上述要求還是相當困難的，而在電加熱玻璃液系統中，採用了可控矽整流電路，圖2給出了其波形圖，要精確測量V、I值就顯然更加困難。②不同的玻璃液配料成份，有不同的R-T曲線，顯然配料的改變將會對用測定電阻值R來測定溫度值T帶來一定的困難。
本發明的目的在於針對目前的測溫方法只能測量玻璃液表面溫度的缺點，設計一種能夠測量玻璃液內部溫度的新裝置和方法，可以測到0.5～1℃的溫度變化。針對目前通用的溫度單閉環系統存在的動態特性差的特點，設計一種電流-溫度雙閉環自動控制系統，使其具有優良的靜、動態特性，對1000℃以上的料道玻璃液溫度，可使溫度波動控制在±2℃以內。
本發明的要點利用玻璃液在高溫狀態下的R-T特性，採用A/D-微電腦-D/A信號處理系統，溫度-電流雙閉環自動控制系統。
如圖10所示，本發明在微電腦控制系統的硬體設計中，具有創新的部分是①為設置或改變多種數據，發明人通過二個PIO晶片將「置數」按鍵及六個BCD碼撥盤與CPU相聯結，由「置數」按鍵產生「位控中斷」，由二個撥盤提供「置數項目」，由四個撥盤提供雙字節的「置數數據」，完成100個雙字節數據的設置。②利用CPU、CTC，每隔1秒鐘對保持器內容進行一次刷新操作並對保持器的電源作必要的高抗幹擾處理，以完成用一片D/A晶片實現8路、12位D/A變換輸出電路。
發明人為提高料道玻璃液溫度的控制精度，採用了由電流閉環及溫度閉環串聯級組成的電流-溫度雙閉環自動控制系統，並對該系統採取了下述處理方法使其實現最佳化。
(1)、建立玻璃窯爐的數學模型(uC(s))/(ur(s)) = (KL)/(1+TLS) e-τt(2)、建立圖6所示的用拉普拉斯算子表達的電流-溫度雙閉環系統結構圖;
(3)、採用「電子最佳調節原理」，分別對電流環、溫度環實現最佳化處理。對電流環的最佳化處理是由於在電流環中只存在一個小慣性Tz，因此電流調節器可選用積分調節器W1＝ 1/(τis) ，組成標準的二階最佳調節形式。積分器的參數選擇，可按最佳條件τi＝ (KzKI)/(R) Tz加以確定。其中Kz＝ (Vz)/(Vk) ;Tz＝10ms(單相雙向可控矽死區時間);R-實測值;KI＝VIF/I。經過二階最佳化之後，電流環等效於一個小慣性環節。經簡化後得到如圖7所示的結構圖。對溫度環的最佳化處理是展開eτt=1+τs+ (τ2s2)/2 +……，取前二項後得到e-τt＝ 1/(1+τS) 。根據這樣的系統特點，WT可選用PID調節器WT= ((1+τD1s)(1+τD2s))/(τis) 進行非標準的二階最佳化處理。PID調節器的參數可按最佳條件τD1＝τ;τD2＝Ti;τi＝2Ki′τ加以確定。經過這樣最佳化處理後就可得到如圖8所示簡化後的電流-溫度雙閉環系統結構圖。
(4)、測定料道玻璃液的參數τ、TC的值。其測定方法是在保持熔化池溫度t2及環境溫度t3不變(只要測試時間短，可認為它們不變)的條件下，使流過鉬電極的電流I產生一個階躍，然後測定料道玻璃液的溫度T隨時間t的變化規律，得到如圖9所示的T-t關係圖，並由此圖曲線的切線得出τ、TL的數值。
(5)、根據最佳化條件及測定的τ、TL和其它參數，分別確定電流調節器、溫度調節器的PID參數。
為使本發明也能用於油、汽加熱的料道玻璃液的溫度測量和控制，發明人設計了一種如圖11所示的輔助鉬電極，置於玻璃液內部、則同樣能達到上述精度要求的測溫、控溫目的。
圖1是玻璃液在高溫狀態下的R-T關係圖。
圖2是一般可控矽整流電路的波形圖。
圖3是模擬量實現量子化後的波形圖。
圖4是玻璃液溫度機率分布圖。
圖5是本發明的工作原理框圖，圖中(1)為微電腦數據採集處理環節，(2)為數字式PIO溫度調節器，(3)為D/A變換器，(4)為模擬量電流調節器，(5)為可控矽裝置，(6)為鉬電極，(7)為電流反饋環節，(8)為A/D變換器。
圖6是拉普拉斯算子表達的電流-溫度雙閉環控制系統結構圖。
圖7是電流環經過最佳化處理後的雙閉環結構圖。
圖8是溫度環經過最佳化處理後的最簡化的電流-溫度雙閉環系統結構圖。
圖9是測定玻璃液料道參數τ、TL的關係圖。
圖10是本發明的硬體部分聯結原理圖。
圖11是輔助鉬電極原理圖。
現結合圖1說明本發明的料道玻璃液溫度的測量及控制。通過置於玻璃液內的工作鉬電極，將圖2所示的電壓V、電流I信號輸入到A/D變換器，經微電腦及快速A/D變換，對V、I信號進行快速採樣，得到圖3所示的量子化了的波形。為提高測量精度，必須提高採樣速度f＝ 1/(τ) 的值。發明人為此而採用了15ms～25ms的A/D變換器件，並編制了相應的控制程序，使A/D變換與數據處理同時進行，f可達4萬次/秒以上。經V/I運算及查表找出對應的溫度值T，發明人採取了將多種配料的玻璃液分別測得相應的R-T曲線，並編制出R-T對應表，存貯於微電腦EP-ROM2716內，當配料改變時，通過人-機對話按鍵便可自動查找。由於在上述測量過程中，會遇到來自電網電壓的隨機的、無規律的幹擾信號影響，因此在不同周期測得的溫度T呈某種漂移狀態，如圖4所示。為刪除偏離最可幾溫度值TF較大的數據，採取了通過微電腦數據處理系統對所測的大量Tn值，用「多次平均刪選法」進行刪選，亦即先求出這些Tn值的第一次平均值，然後用此平均值與各個Tn值逐一比較，對於偏差大於△T的數據加以剔除，並以平均值代替，經過連續多次平均刪選，即可得到精確測溫值T。再將此T值作為溫度反饋信號TF與給定溫度值TG進行比較，如果存在差值△T，就對△T進行數字式PID運算，並將運算結果通過D/A變換，得出VIG作為電流給定值送往電流環，此過程直到消除溫度偏差為止，使料道玻璃液溫度的波動不大於±2℃。
本發明提供了一種新型測量、控制料道玻璃液溫度的裝置和方法。對於電加熱系統或油、氣加熱系統的玻璃液溫度的測量、控制，使用本發明提供的裝置和方法均能實現。不僅能測量玻璃液內部溫度變化量，還可測量玻璃窯爐中其它部分的溫度。現有的測量裝置，其測溫精度僅為±3℃～±8℃、控溫裝置的控溫精度僅為±5℃～±10℃。但使用本發明，其測溫精度可達到±0.5℃～±1℃、其控溫精度對1000℃以上的料道溫度，能達到±2℃以內，即使在電網電壓變化±20%，熔化池溫度變化±10℃的擾動下，料道的玻璃液溫度波動仍小於±2℃。因此，本裝置具有良好的靜、動態控溫特性，與國外採用的白金套管熱電偶相比較，本裝置具有較好的性能價格比，因而更容易為用戶所接受。
權利要求
1.一種用於測量、控制料道玻璃液溫度的裝置和方法，由微電腦處理系統、電流調節器、可控矽裝置等組成，其特徵是利用玻璃液在高溫下的R-T特性，由A/D-微電腦-D/A信號處理系統及電流-溫度雙閉環自動控制系統組成。
2.根據權利要求
1所述的裝置和方法，其特徵是A/D變換器(8)採用時間為15μs-25μs的器件。
3.根據權利要求
1所述的裝置和方法，其特徵是電流-溫度雙閉環自動控制系統由(1)、電流閉環與溫度閉環串級組成;(2)、電流閉環由模擬量電流調節器(4)、可控矽裝置(5)、鉬電極(6)及電流反饋環節(7)組成;(3)、溫度閉環由溫度反饋環節(1、8)、數字式PID調節器(2)、D/A變換器(3)及電流閉環組成;
4.根據權利要求
3所述的裝置和方法，其特徵是電流-溫度雙閉環自動控制系統通過下列步驟而建立(1)、建立玻璃窯爐的數學模型;(2)、建立用拉普拉斯算子表達的電流-溫度雙閉環系統結構圖;(3)、採用「電子最佳調節原理」，分別對電流環及溫度環進行最佳化處理;(4)、測定料道玻璃道參數τ、TL;(5)、確定電流調節器、溫度調節器的PID參數。
5.根據權利要求
1所述的裝置和方法，其特徵是D/A變換輸出是利用CPU、CTC每隔1秒對保持器內容進行一次刷新操作及電原高抗幹攏處理，採用一片D/A晶片實現8路、12位D/A變換輸出電路。
6.根據權利要求
1所述的裝置和方法，其特徵是通過二個PIO晶片，將「置數」按鍵及六個BCD碼撥盤與CPU聯結，由置數按鍵產生「位控中斷」，由二個撥盤提供「置數項目」，由四個撥盤提供雙字節的「置數數據」，完成100個雙字節數據的設置。
7.根據權利要求
1所述的裝置和方法，其特徵是溫度的測量及控制方法在於採用微電腦(1)、快速A/D變換，對電壓V、電流I信號進行快速採樣及V/I運算;(2)、根據予先存貯在微電腦EP-ROM2716內的多種R-T對應表進行自動查表，並得到相對應的溫度值Tn;(3)、對連續數百次測得的大量溫度值Tn，用多次平均刪迭法進行刪迭，得到一個測溫值;(4)、通過電流-溫度雙閉環自動控制系統，將上述測溫值作為溫度反饋信號TF與溫度給定值TE進行比較，若存在偏差，就通過自動調節，直至消除溫度偏差。
8.根據權利要求
3、7所述的裝置和方法，其特徵是採用輔助鉬電極用於油、汽加熱裝置的料道玻璃液溫度測量和控制。
專利摘要
本發明是一種料道玻璃液溫度測量、控制裝置和方法。它利用玻璃液在高溫下的R—T特性，採用微電腦處理系統及電流—溫度雙閉環自動控制系統，測量、控制電加熱及油、汽加熱的料道玻璃液及玻璃窯爐其它部位的溫度。測溫精度達到±0.5℃—±1℃以內，控溫精度達到±2℃以內，即使在電網變化±20％，熔化池溫度變化±10℃的擾動下，其溫度波動仍小於±2℃。靜、動態特性均十分良好。該裝置結構簡單，具有較好的性能價格比。
文檔編號C03B7/06GK86103918SQ86103918
公開日1987年12月16日 申請日期1986年6月5日
發明者王孟效 申請人:西北輕工業學院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan