专利名称:测量控制料道玻璃液温度的装置和方法
本发明属于测量、控制料道玻璃液温度的装置和方法。
本发明作出以前，国内外对测量、控制玻璃液温度的装置和方法主要采用1、幅射高温计-“国际玻璃搪瓷简报”第1期(1983)发表的“玻璃工业中的温度测量”一文中作过介绍。
2、红外温度测控系统-“国际玻璃搪瓷简报”第4期(1983)发表的“用新型测温计控制玻璃料液的温度”一文中作过介绍。
3、热电偶。
4、“玻璃工业”第4期(1984)-“玻璃池炉自动控制系统”一文介绍了利用热电偶测温及燃油流量-温度双闭环调节系统对玻璃池炉自动控温。
上述几种测量、控制玻璃液温度的装置和方法，显然存在着只能测量玻璃液表面温度，而不能测量其内部温度的缺陷，造成测量控制温度的误差较大，同时温度变化的反应也较迟缓。据实测，玻璃液表面温度传送到其内部往往需要几十分钟，因此，对一般的温度控制装置将会带来十分不利的影响，即使在该装置上采用微电脑，其控制精度也难于达到±5℃。
目前，一般的玻璃液温度控制装置都采用温度单闭环控制系统，虽然能有较高的静态控温精度，但动态特性较差，特别是当电网电压变化时，会引起温度的波动，这往往是玻璃拉管机上引起断裂的主要原因之一。
日本采用一种热电偶外套白金套管的测温计使控温精度达±0.5℃，但白金套管价值昂贵，一般使用单位难于接受。
中国“可控硅双闭环稳速系统”1981年(轻工业出版社)一书中介绍了速度-电流双闭环系统的应用原理及电子最佳调节原理在双闭环中的应用，但是电流-温度双闭环自动控制系统进行控温，特别是对料道玻璃液的温度控制，在有关文献中尚未发现。
中国“玻璃与搪瓷”第1期(1979年)“玻璃的电熔”一文中介绍了玻璃液在高温下，呈离子化状态，具有导电性能，其电阻值R随温度T而变化，图1给出了R-T关系图。但利用R-T特性测量玻璃液内温度，在国内外有关文献中尚未见报导，其主要原因是存在如下二个难点①欲要得到0.1%的测温精度(即温度分辨率为1℃)就要求电阻值R的检测精度至少为0.1%，从而要求电压V及电流I的检测精度至少也要达到这个水平。这对于直流信号或标准的正弦波信号来说，要达到上述要求还是相当困难的，而在电加热玻璃液系统中，采用了可控硅整流电路，图2给出了其波形图，要精确测量V、I值就显然更加困难。②不同的玻璃液配料成份，有不同的R-T曲线，显然配料的改变将会对用测定电阻值R来测定温度值T带来一定的困难。
本发明的目的在于针对目前的测温方法只能测量玻璃液表面温度的缺点，设计一种能够测量玻璃液内部温度的新装置和方法，可以测到0.5～1℃的温度变化。针对目前通用的温度单闭环系统存在的动态特性差的特点，设计一种电流-温度双闭环自动控制系统，使其具有优良的静、动态特性，对1000℃以上的料道玻璃液温度，可使温度波动控制在±2℃以内。
本发明的要点利用玻璃液在高温状态下的R-T特性，采用A/D-微电脑-D/A信号处理系统，温度-电流双闭环自动控制系统。
如图10所示，本发明在微电脑控制系统的硬件设计中，具有创新的部分是①为设置或改变多种数据，发明人通过二个PIO芯片将“置数”按键及六个BCD码拨盘与CPU相联结，由“置数”按键产生“位控中断”，由二个拨盘提供“置数项目”，由四个拨盘提供双字节的“置数数据”，完成100个双字节数据的设置。②利用CPU、CTC，每隔1秒钟对保持器内容进行一次刷新操作并对保持器的电源作必要的高抗干扰处理，以完成用一片D/A芯片实现8路、12位D/A变换输出电路。
发明人为提高料道玻璃液温度的控制精度，采用了由电流闭环及温度闭环串联级组成的电流-温度双闭环自动控制系统，并对该系统采取了下述处理方法使其实现最佳化。
(1)、建立玻璃窑炉的数学模型(uC(s))/(ur(s)) = (KL)/(1+TLS) e-τt(2)、建立图6所示的用拉普拉斯算子表达的电流-温度双闭环系统结构图;
(3)、采用“电子最佳调节原理”，分别对电流环、温度环实现最佳化处理。对电流环的最佳化处理是由于在电流环中只存在一个小惯性Tz，因此电流调节器可选用积分调节器W1＝ 1/(τis) ，组成标准的二阶最佳调节形式。积分器的参数选择，可按最佳条件τi＝ (KzKI)/(R) Tz加以确定。其中Kz＝ (Vz)/(Vk) ;Tz＝10ms(单相双向可控硅死区时间);R-实测值;KI＝VIF/I。经过二阶最佳化之后，电流环等效于一个小惯性环节。经简化后得到如图7所示的结构图。对温度环的最佳化处理是展开eτt=1+τs+ (τ2s2)/2 +……，取前二项后得到e-τt＝ 1/(1+τS) 。根据这样的系统特点，WT可选用PID调节器WT= ((1+τD1s)(1+τD2s))/(τis) 进行非标准的二阶最佳化处理。PID调节器的参数可按最佳条件τD1＝τ;τD2＝Ti;τi＝2Ki′τ加以确定。经过这样最佳化处理后就可得到如图8所示简化后的电流-温度双闭环系统结构图。
(4)、测定料道玻璃液的参数τ、TC的值。其测定方法是在保持熔化池温度t2及环境温度t3不变(只要测试时间短，可认为它们不变)的条件下，使流过钼电极的电流I产生一个阶跃，然后测定料道玻璃液的温度T随时间t的变化规律，得到如图9所示的T-t关系图，并由此图曲线的切线得出τ、TL的数值。
(5)、根据最佳化条件及测定的τ、TL和其它参数，分别确定电流调节器、温度调节器的PID参数。
为使本发明也能用于油、汽加热的料道玻璃液的温度测量和控制，发明人设计了一种如图11所示的辅助钼电极，置于玻璃液内部、则同样能达到上述精度要求的测温、控温目的。
图1是玻璃液在高温状态下的R-T关系图。
图2是一般可控硅整流电路的波形图。
图3是模拟量实现量子化后的波形图。
图4是玻璃液温度几率分布图。
图5是本发明的工作原理框图，图中(1)为微电脑数据采集处理环节，(2)为数字式PIO温度调节器，(3)为D/A变换器，(4)为模拟量电流调节器，(5)为可控硅装置，(6)为钼电极，(7)为电流反馈环节，(8)为A/D变换器。
图6是拉普拉斯算子表达的电流-温度双闭环控制系统结构图。
图7是电流环经过最佳化处理后的双闭环结构图。
图8是温度环经过最佳化处理后的最简化的电流-温度双闭环系统结构图。
图9是测定玻璃液料道参数τ、TL的关系图。
图10是本发明的硬件部分联结原理图。
图11是辅助钼电极原理图。
现结合图1说明本发明的料道玻璃液温度的测量及控制。通过置于玻璃液内的工作钼电极，将图2所示的电压V、电流I信号输入到A/D变换器，经微电脑及快速A/D变换，对V、I信号进行快速采样，得到图3所示的量子化了的波形。为提高测量精度，必须提高采样速度f＝ 1/(τ) 的值。发明人为此而采用了15ms～25ms的A/D变换器件，并编制了相应的控制程序，使A/D变换与数据处理同时进行，f可达4万次/秒以上。经V/I运算及查表找出对应的温度值T，发明人采取了将多种配料的玻璃液分别测得相应的R-T曲线，并编制出R-T对应表，存贮于微电脑EP-ROM2716内，当配料改变时，通过人-机对话按键便可自动查找。由于在上述测量过程中，会遇到来自电网电压的随机的、无规律的干扰信号影响，因此在不同周期测得的温度T呈某种漂移状态，如图4所示。为删除偏离最可几温度值TF较大的数据，采取了通过微电脑数据处理系统对所测的大量Tn值，用“多次平均删选法”进行删选，亦即先求出这些Tn值的第一次平均值，然后用此平均值与各个Tn值逐一比较，对于偏差大于△T的数据加以剔除，并以平均值代替，经过连续多次平均删选，即可得到精确测温值T。再将此T值作为温度反馈信号TF与给定温度值TG进行比较，如果存在差值△T，就对△T进行数字式PID运算，并将运算结果通过D/A变换，得出VIG作为电流给定值送往电流环，此过程直到消除温度偏差为止，使料道玻璃液温度的波动不大于±2℃。
本发明提供了一种新型测量、控制料道玻璃液温度的装置和方法。对于电加热系统或油、气加热系统的玻璃液温度的测量、控制，使用本发明提供的装置和方法均能实现。不仅能测量玻璃液内部温度变化量，还可测量玻璃窑炉中其它部分的温度。现有的测量装置，其测温精度仅为±3℃～±8℃、控温装置的控温精度仅为±5℃～±10℃。但使用本发明，其测温精度可达到±0.5℃～±1℃、其控温精度对1000℃以上的料道温度，能达到±2℃以内，即使在电网电压变化±20%，熔化池温度变化±10℃的扰动下，料道的玻璃液温度波动仍小于±2℃。因此，本装置具有良好的静、动态控温特性，与国外采用的白金套管热电偶相比较，本装置具有较好的性能价格比，因而更容易为用户所接受。
权利要求
1.一种用于测量、控制料道玻璃液温度的装置和方法，由微电脑处理系统、电流调节器、可控硅装置等组成，其特征是利用玻璃液在高温下的R-T特性，由A/D-微电脑-D/A信号处理系统及电流-温度双闭环自动控制系统组成。
2.根据权利要求
1所述的装置和方法，其特征是A/D变换器(8)采用时间为15μs-25μs的器件。
3.根据权利要求
1所述的装置和方法，其特征是电流-温度双闭环自动控制系统由(1)、电流闭环与温度闭环串级组成;(2)、电流闭环由模拟量电流调节器(4)、可控硅装置(5)、钼电极(6)及电流反馈环节(7)组成;(3)、温度闭环由温度反馈环节(1、8)、数字式PID调节器(2)、D/A变换器(3)及电流闭环组成;
4.根据权利要求
3所述的装置和方法，其特征是电流-温度双闭环自动控制系统通过下列步骤而建立(1)、建立玻璃窑炉的数学模型;(2)、建立用拉普拉斯算子表达的电流-温度双闭环系统结构图;(3)、采用“电子最佳调节原理”，分别对电流环及温度环进行最佳化处理;(4)、测定料道玻璃道参数τ、TL;(5)、确定电流调节器、温度调节器的PID参数。
5.根据权利要求
1所述的装置和方法，其特征是D/A变换输出是利用CPU、CTC每隔1秒对保持器内容进行一次刷新操作及电原高抗干拢处理，采用一片D/A芯片实现8路、12位D/A变换输出电路。
6.根据权利要求
1所述的装置和方法，其特征是通过二个PIO芯片，将“置数”按键及六个BCD码拨盘与CPU联结，由置数按键产生“位控中断”，由二个拨盘提供“置数项目”，由四个拨盘提供双字节的“置数数据”，完成100个双字节数据的设置。
7.根据权利要求
1所述的装置和方法，其特征是温度的测量及控制方法在于采用微电脑(1)、快速A/D变换，对电压V、电流I信号进行快速采样及V/I运算;(2)、根据予先存贮在微电脑EP-ROM2716内的多种R-T对应表进行自动查表，并得到相对应的温度值Tn;(3)、对连续数百次测得的大量温度值Tn，用多次平均删迭法进行删迭，得到一个测温值;(4)、通过电流-温度双闭环自动控制系统，将上述测温值作为温度反馈信号TF与温度给定值TE进行比较，若存在偏差，就通过自动调节，直至消除温度偏差。
8.根据权利要求
3、7所述的装置和方法，其特征是采用辅助钼电极用于油、汽加热装置的料道玻璃液温度测量和控制。
专利摘要
本发明是一种料道玻璃液温度测量、控制装置和方法。它利用玻璃液在高温下的R—T特性，采用微电脑处理系统及电流—温度双闭环自动控制系统，测量、控制电加热及油、汽加热的料道玻璃液及玻璃窑炉其它部位的温度。测温精度达到±0.5℃—±1℃以内，控温精度达到±2℃以内，即使在电网变化±20％，熔化池温度变化±10℃的扰动下，其温度波动仍小于±2℃。静、动态特性均十分良好。该装置结构简单，具有较好的性能价格比。
文档编号C03B7/06GK86103918SQ86103918
公开日1987年12月16日 申请日期1986年6月5日
发明者王孟效 申请人:西北轻工业学院导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan