專利名稱:測(cè)量控制料道玻璃液溫度的裝置和方法
本發(fā)明屬于測(cè)量、控制料道玻璃液溫度的裝置和方法。
本發(fā)明作出以前，國內(nèi)外對(duì)測(cè)量、控制玻璃液溫度的裝置和方法主要采用1、幅射高溫計(jì)-“國際玻璃搪瓷簡(jiǎn)報(bào)”第1期(1983)發(fā)表的“玻璃工業(yè)中的溫度測(cè)量”一文中作過介紹。
2、紅外溫度測(cè)控系統(tǒng)-“國際玻璃搪瓷簡(jiǎn)報(bào)”第4期(1983)發(fā)表的“用新型測(cè)溫計(jì)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(yè)”第4期(1984)-“玻璃池爐自動(dòng)控制系統(tǒng)”一文介紹了利用熱電偶測(cè)溫及燃油流量-溫度雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)玻璃池爐自動(dòng)控溫。
上述幾種測(cè)量、控制玻璃液溫度的裝置和方法，顯然存在著只能測(cè)量玻璃液表面溫度，而不能測(cè)量其內(nèi)部溫度的缺陷，造成測(cè)量控制溫度的誤差較大，同時(shí)溫度變化的反應(yīng)也較遲緩。據(jù)實(shí)測(cè)，玻璃液表面溫度傳送到其內(nèi)部往往需要幾十分鐘，因此，對(duì)一般的溫度控制裝置將會(huì)帶來十分不利的影響，即使在該裝置上采用微電腦，其控制精度也難于達(dá)到±5℃。
目前，一般的玻璃液溫度控制裝置都采用溫度單閉環(huán)控制系統(tǒng)，雖然能有較高的靜態(tài)控溫精度，但動(dòng)態(tài)特性較差，特別是當(dāng)電網(wǎng)電壓變化時(shí)，會(huì)引起溫度的波動(dòng)，這往往是玻璃拉管機(jī)上引起斷裂的主要原因之一。
日本采用一種熱電偶外套白金套管的測(cè)溫計(jì)使控溫精度達(dá)±0.5℃，但白金套管價(jià)值昂貴，一般使用單位難于接受。
中國“可控硅雙閉環(huán)穩(wěn)速系統(tǒng)”1981年(輕工業(yè)出版社)一書中介紹了速度-電流雙閉環(huán)系統(tǒng)的應(yīng)用原理及電子最佳調(diào)節(jié)原理在雙閉環(huán)中的應(yīng)用，但是電流-溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控溫，特別是對(duì)料道玻璃液的溫度控制，在有關(guān)文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)。
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(tài)，具有導(dǎo)電性能，其電阻值R隨溫度T而變化，圖1給出了R-T關(guān)系圖。但利用R-T特性測(cè)量玻璃液內(nèi)溫度，在國內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)中尚未見報(bào)導(dǎo)，其主要原因是存在如下二個(gè)難點(diǎn)①欲要得到0.1%的測(cè)溫精度(即溫度分辨率為1℃)就要求電阻值R的檢測(cè)精度至少為0.1%，從而要求電壓V及電流I的檢測(cè)精度至少也要達(dá)到這個(gè)水平。這對(duì)于直流信號(hào)或標(biāo)準(zhǔn)的正弦波信號(hào)來說，要達(dá)到上述要求還是相當(dāng)困難的，而在電加熱玻璃液系統(tǒng)中，采用了可控硅整流電路，圖2給出了其波形圖，要精確測(cè)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(huì)對(duì)用測(cè)定電阻值R來測(cè)定溫度值T帶來一定的困難。
本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前的測(cè)溫方法只能測(cè)量玻璃液表面溫度的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種能夠測(cè)量玻璃液內(nèi)部溫度的新裝置和方法，可以測(cè)到0.5～1℃的溫度變化。針對(duì)目前通用的溫度單閉環(huán)系統(tǒng)存在的動(dòng)態(tài)特性差的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種電流-溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，使其具有優(yōu)良的靜、動(dòng)態(tài)特性，對(duì)1000℃以上的料道玻璃液溫度，可使溫度波動(dòng)控制在±2℃以內(nèi)。
本發(fā)明的要點(diǎn)利用玻璃液在高溫狀態(tài)下的R-T特性，采用A/D-微電腦-D/A信號(hào)處理系統(tǒng)，溫度-電流雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)。
如圖10所示，本發(fā)明在微電腦控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中，具有創(chuàng)新的部分是①為設(shè)置或改變多種數(shù)據(jù)，發(fā)明人通過二個(gè)PIO芯片將“置數(shù)”按鍵及六個(gè)BCD碼撥盤與CPU相聯(lián)結(jié)，由“置數(shù)”按鍵產(chǎn)生“位控中斷”，由二個(gè)撥盤提供“置數(shù)項(xiàng)目”，由四個(gè)撥盤提供雙字節(jié)的“置數(shù)數(shù)據(jù)”，完成100個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)的設(shè)置。②利用CPU、CTC，每隔1秒鐘對(duì)保持器內(nèi)容進(jìn)行一次刷新操作并對(duì)保持器的電源作必要的高抗干擾處理，以完成用一片D/A芯片實(shí)現(xiàn)8路、12位D/A變換輸出電路。
發(fā)明人為提高料道玻璃液溫度的控制精度，采用了由電流閉環(huán)及溫度閉環(huán)串聯(lián)級(jí)組成的電流-溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)采取了下述處理方法使其實(shí)現(xiàn)最佳化。
(1)、建立玻璃窯爐的數(shù)學(xué)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(dá)的電流-溫度雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;
(3)、采用“電子最佳調(diào)節(jié)原理”，分別對(duì)電流環(huán)、溫度環(huán)實(shí)現(xiàn)最佳化處理。對(duì)電流環(huán)的最佳化處理是由于在電流環(huán)中只存在一個(gè)小慣性Tz，因此電流調(diào)節(jié)器可選用積分調(diào)節(jié)器W1＝ 1/(τis) ，組成標(biāo)準(zhǔn)的二階最佳調(diào)節(jié)形式。積分器的參數(shù)選擇，可按最佳條件τi＝ (KzKI)/(R) Tz加以確定。其中Kz＝ (Vz)/(Vk) ;Tz＝10ms(單相雙向可控硅死區(qū)時(shí)間);R-實(shí)測(cè)值;KI＝VIF/I。經(jīng)過二階最佳化之后，電流環(huán)等效于一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)。經(jīng)簡(jiǎn)化后得到如圖7所示的結(jié)構(gòu)圖。對(duì)溫度環(huán)的最佳化處理是展開eτt=1+τs+ (τ2s2)/2 +……，取前二項(xiàng)后得到e-τt＝ 1/(1+τS) 。根據(jù)這樣的系統(tǒng)特點(diǎn)，WT可選用PID調(diào)節(jié)器WT= ((1+τD1s)(1+τD2s))/(τis) 進(jìn)行非標(biāo)準(zhǔn)的二階最佳化處理。PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)可按最佳條件τD1＝τ;τD2＝Ti;τi＝2Ki′τ加以確定。經(jīng)過這樣最佳化處理后就可得到如圖8所示簡(jiǎn)化后的電流-溫度雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
(4)、測(cè)定料道玻璃液的參數(shù)τ、TC的值。其測(cè)定方法是在保持熔化池溫度t2及環(huán)境溫度t3不變(只要測(cè)試時(shí)間短，可認(rèn)為它們不變)的條件下，使流過鉬電極的電流I產(chǎn)生一個(gè)階躍，然后測(cè)定料道玻璃液的溫度T隨時(shí)間t的變化規(guī)律，得到如圖9所示的T-t關(guān)系圖，并由此圖曲線的切線得出τ、TL的數(shù)值。
(5)、根據(jù)最佳化條件及測(cè)定的τ、TL和其它參數(shù)，分別確定電流調(diào)節(jié)器、溫度調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。
為使本發(fā)明也能用于油、汽加熱的料道玻璃液的溫度測(cè)量和控制，發(fā)明人設(shè)計(jì)了一種如圖11所示的輔助鉬電極，置于玻璃液內(nèi)部、則同樣能達(dá)到上述精度要求的測(cè)溫、控溫目的。
圖1是玻璃液在高溫狀態(tài)下的R-T關(guān)系圖。
圖2是一般可控硅整流電路的波形圖。
圖3是模擬量實(shí)現(xiàn)量子化后的波形圖。
圖4是玻璃液溫度幾率分布圖。
圖5是本發(fā)明的工作原理框圖，圖中(1)為微電腦數(shù)據(jù)采集處理環(huán)節(jié)，(2)為數(shù)字式PIO溫度調(diào)節(jié)器，(3)為D/A變換器，(4)為模擬量電流調(diào)節(jié)器，(5)為可控硅裝置，(6)為鉬電極，(7)為電流反饋環(huán)節(jié)，(8)為A/D變換器。
圖6是拉普拉斯算子表達(dá)的電流-溫度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖7是電流環(huán)經(jīng)過最佳化處理后的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)圖。
圖8是溫度環(huán)經(jīng)過最佳化處理后的最簡(jiǎn)化的電流-溫度雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖9是測(cè)定玻璃液料道參數(shù)τ、TL的關(guān)系圖。
圖10是本發(fā)明的硬件部分聯(lián)結(jié)原理圖。
圖11是輔助鉬電極原理圖。
現(xiàn)結(jié)合圖1說明本發(fā)明的料道玻璃液溫度的測(cè)量及控制。通過置于玻璃液內(nèi)的工作鉬電極，將圖2所示的電壓V、電流I信號(hào)輸入到A/D變換器，經(jīng)微電腦及快速A/D變換，對(duì)V、I信號(hào)進(jìn)行快速采樣，得到圖3所示的量子化了的波形。為提高測(cè)量精度，必須提高采樣速度f＝ 1/(τ) 的值。發(fā)明人為此而采用了15ms～25ms的A/D變換器件，并編制了相應(yīng)的控制程序，使A/D變換與數(shù)據(jù)處理同時(shí)進(jìn)行，f可達(dá)4萬次/秒以上。經(jīng)V/I運(yùn)算及查表找出對(duì)應(yīng)的溫度值T，發(fā)明人采取了將多種配料的玻璃液分別測(cè)得相應(yīng)的R-T曲線，并編制出R-T對(duì)應(yīng)表，存貯于微電腦EP-ROM2716內(nèi)，當(dāng)配料改變時(shí)，通過人-機(jī)對(duì)話按鍵便可自動(dòng)查找。由于在上述測(cè)量過程中，會(huì)遇到來自電網(wǎng)電壓的隨機(jī)的、無規(guī)律的干擾信號(hào)影響，因此在不同周期測(cè)得的溫度T呈某種漂移狀態(tài)，如圖4所示。為刪除偏離最可幾溫度值TF較大的數(shù)據(jù)，采取了通過微電腦數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)所測(cè)的大量Tn值，用“多次平均刪選法”進(jìn)行刪選，亦即先求出這些Tn值的第一次平均值，然后用此平均值與各個(gè)Tn值逐一比較，對(duì)于偏差大于△T的數(shù)據(jù)加以剔除，并以平均值代替，經(jīng)過連續(xù)多次平均刪選，即可得到精確測(cè)溫值T。再將此T值作為溫度反饋信號(hào)TF與給定溫度值TG進(jìn)行比較，如果存在差值△T，就對(duì)△T進(jìn)行數(shù)字式PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果通過D/A變換，得出VIG作為電流給定值送往電流環(huán)，此過程直到消除溫度偏差為止，使料道玻璃液溫度的波動(dòng)不大于±2℃。
本發(fā)明提供了一種新型測(cè)量、控制料道玻璃液溫度的裝置和方法。對(duì)于電加熱系統(tǒng)或油、氣加熱系統(tǒng)的玻璃液溫度的測(cè)量、控制，使用本發(fā)明提供的裝置和方法均能實(shí)現(xiàn)。不僅能測(cè)量玻璃液內(nèi)部溫度變化量，還可測(cè)量玻璃窯爐中其它部分的溫度?，F(xiàn)有的測(cè)量裝置，其測(cè)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(fā)明，其測(cè)溫精度可達(dá)到±0.5℃～±1℃、其控溫精度對(duì)1000℃以上的料道溫度，能達(dá)到±2℃以內(nèi)，即使在電網(wǎng)電壓變化±20%，熔化池溫度變化±10℃的擾動(dòng)下，料道的玻璃液溫度波動(dòng)仍小于±2℃。因此，本裝置具有良好的靜、動(dòng)態(tài)控溫特性，與國外采用的白金套管熱電偶相比較，本裝置具有較好的性能價(jià)格比，因而更容易為用戶所接受。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量、控制料道玻璃液溫度的裝置和方法，由微電腦處理系統(tǒng)、電流調(diào)節(jié)器、可控硅裝置等組成，其特征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(hào)處理系統(tǒng)及電流-溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置和方法，其特征是A/D變換器(8)采用時(shí)間為15μs-25μs的器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置和方法，其特征是電流-溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)由(1)、電流閉環(huán)與溫度閉環(huán)串級(jí)組成;(2)、電流閉環(huán)由模擬量電流調(diào)節(jié)器(4)、可控硅裝置(5)、鉬電極(6)及電流反饋環(huán)節(jié)(7)組成;(3)、溫度閉環(huán)由溫度反饋環(huán)節(jié)(1、8)、數(shù)字式PID調(diào)節(jié)器(2)、D/A變換器(3)及電流閉環(huán)組成;
4.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的裝置和方法，其特征是電流-溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)通過下列步驟而建立(1)、建立玻璃窯爐的數(shù)學(xué)模型;(2)、建立用拉普拉斯算子表達(dá)的電流-溫度雙閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖;(3)、采用“電子最佳調(diào)節(jié)原理”，分別對(duì)電流環(huán)及溫度環(huán)進(jìn)行最佳化處理;(4)、測(cè)定料道玻璃道參數(shù)τ、TL;(5)、確定電流調(diào)節(jié)器、溫度調(diào)節(jié)器的PID參數(shù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置和方法，其特征是D/A變換輸出是利用CPU、CTC每隔1秒對(duì)保持器內(nèi)容進(jìn)行一次刷新操作及電原高抗干攏處理，采用一片D/A芯片實(shí)現(xiàn)8路、12位D/A變換輸出電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置和方法，其特征是通過二個(gè)PIO芯片，將“置數(shù)”按鍵及六個(gè)BCD碼撥盤與CPU聯(lián)結(jié)，由置數(shù)按鍵產(chǎn)生“位控中斷”，由二個(gè)撥盤提供“置數(shù)項(xiàng)目”，由四個(gè)撥盤提供雙字節(jié)的“置數(shù)數(shù)據(jù)”，完成100個(gè)雙字節(jié)數(shù)據(jù)的設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置和方法，其特征是溫度的測(cè)量及控制方法在于采用微電腦(1)、快速A/D變換，對(duì)電壓V、電流I信號(hào)進(jìn)行快速采樣及V/I運(yùn)算;(2)、根據(jù)予先存貯在微電腦EP-ROM2716內(nèi)的多種R-T對(duì)應(yīng)表進(jìn)行自動(dòng)查表，并得到相對(duì)應(yīng)的溫度值Tn;(3)、對(duì)連續(xù)數(shù)百次測(cè)得的大量溫度值Tn，用多次平均刪迭法進(jìn)行刪迭，得到一個(gè)測(cè)溫值;(4)、通過電流-溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，將上述測(cè)溫值作為溫度反饋信號(hào)TF與溫度給定值TE進(jìn)行比較，若存在偏差，就通過自動(dòng)調(diào)節(jié)，直至消除溫度偏差。
8.根據(jù)權(quán)利要求
3、7所述的裝置和方法，其特征是采用輔助鉬電極用于油、汽加熱裝置的料道玻璃液溫度測(cè)量和控制。
專利摘要
本發(fā)明是一種料道玻璃液溫度測(cè)量、控制裝置和方法。它利用玻璃液在高溫下的R—T特性，采用微電腦處理系統(tǒng)及電流—溫度雙閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，測(cè)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(cè)溫精度達(dá)到±0.5℃—±1℃以內(nèi)，控溫精度達(dá)到±2℃以內(nèi)，即使在電網(wǎng)變化±20％，熔化池溫度變化±10℃的擾動(dòng)下，其溫度波動(dòng)仍小于±2℃。靜、動(dòng)態(tài)特性均十分良好。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有較好的性能價(jià)格比。
文檔編號(hào)C03B7/06GK86103918SQ86103918
公開日1987年12月16日 申請(qǐng)日期1986年6月5日
發(fā)明者王孟效 申請(qǐng)人:西北輕工業(yè)學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan