一种电热辐射管温度控制装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种热处理设备加热时控温装置，尤其是涉及一种电热辐射管温度控制装置及其控制方法。

背景技术：

在金属热处理领域，采用辐射管进行间接加热的方法已经得到了越来越广泛的应用。现有的热处理炉炉子温度控制模式是通过工作区的热电偶测出的温度信号进行控制的，这种控温方式存在的问题是热电偶插入的位置变化和炉内气体的流动变化对测量的温度信号有很大的影响，造成温度信号的波动、不准确和滞后等。因此，针对现有技术中的缺陷开发一种温度控制响应快、控制精度高的热处理炉温度控制装置是十分必要的。

技术实现要素：

本发明为解决现有热处理炉温度测量过程中温度波动范围大、不准确以及滞后等问题，提出一种电热辐射管温度控制装置及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的第一个方面是提供一种电热辐射管温度控制装置，包括伸入热处理炉内部用于散热的至少一个电热辐射管，还包括：

一设置于所述电热辐射管内部用于加热区温度控制的第一热电偶；

一嵌设于所述电热辐射管管壁用于保温阶段的温度控制以及升温时的超温报警的第二热电偶；以及

一设置于所述热处理炉工作区用于升温阶段温度控制的第三热电偶；

其中，所述第一热电偶、第二热电偶和第三热电偶分别电连接温度控制器，所述温度控制器根据各热电偶监测的温度，通过pid算法控制所述电热辐射管电源启闭，以对所述热处理炉各阶段温度进行精准控制。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制装置上，所述电热辐射管自身为发热体，无内置的发热体。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制装置上，所述电热辐射管的侧壁开有导流孔。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制装置上，所述电热辐射管的底部开设有开口。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制装置上，所述电热辐射管为多根，且每两根所述电热辐射管之间通过连接片串联连接成对。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制装置上，所述电热辐射管装设于所述热处理炉顶部，且其壁厚呈上大下小。

本发明的第二个方面是提供一种电热辐射管温度控制方法，包括如下步骤：

步骤1，在热处理炉内设置若干成对布置的电热辐射管，在电热辐射管内部设置第一热电偶，用于监测电热辐射管内部温度；在电热辐射管管壁设置第二热电偶，用于监测电热辐射管管壁温度；以及在电热辐射管外部工作区设置第三热电偶，用于监测在热处理炉工作区的温度；

步骤2，将第三热电偶检测的温度传给温度控制器，所述温度控制器执行控制程序进行计算与判断，判断所述热处理炉的工作状态为升温阶段或保温阶段；若工作状态是升温阶段，则用第三热电偶实测的温度和目标温度差值，控制所述电热辐射管的输入功率；

步骤3，在保温阶段，将第二热电偶检测的温度传给温度控制器，所述温度控制器根据设定的目标温度，通过所述温度控制器根据所述目标温度自动控制所述电热辐射管电源的启闭，以调节该温度控制区的温度；在升温阶段，所述第二热电偶不参与炉温控制；

步骤4，将第一热电偶检测的温度传给温度控制器，所述温度控制器根据设定的报警温度，判断所述热处理炉控温区的温度是否超过报警温度；若超过报警温度，则通过所述温度控制器根据所述目标温度自动控制所述电热辐射管电源的通闭，使温度小于报警温度。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制方法中，所述步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中，通过所述第三热电偶实测温度与该温度控制区目标温度的差值，判断所述热处理炉的各温度控制区的工作状态处于升温阶段或保温阶段。

进一步优选地，在所述的电热辐射管温度控制方法中，当工作区的所述第三热电偶检测的温度一直低于所述目标温度时，则对应的热处理炉控制区处于升温阶段；当工作区第三热电偶检测的温度大于或等于所述目标温度时，则对应的热处理炉控制区进入保温阶段。

进一步优选地，在所述的电热辐射管温度控制方法中，当热处理炉处于升温阶段，根据所述第三热电偶实测温度与该温度控制区目标温度的差值，通过pid算法控制炉温；当热处理炉进入保温阶段，通过所述第二热电偶实测温度与该温度控制区目标温度的差值，通过pid算法控制炉温。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制方法中，步骤(3)中，所述电热辐射管产生的焦耳热一部分使自身温度升高，另一部分通过导热、辐射和对流方式传输给环境，使热处理炉环境温度升高，其中：

设所述电热辐射管的外径为壁厚δ，电阻为r，电流通过辐射管时产生焦耳热：

q＝u²/r(1)

所述电热辐射管(1)的电阻r由辐射管的材质和几何尺寸综合决定：

r＝ρl/a(2)

式中，ρ为辐射管的电阻率，l为辐射管的长度，a为辐射管的截面积；

根据热平衡，各部分热量的总和与焦耳热相等；

q＝q1+q2+q3(3)

式中，q为焦耳热，q1为辐射管自身升温吸收的热，q2为辐射管传给外部环境(热处理炉)的热量，q3为辐射管传给管内环境的热量；

式中，m为辐射管质量，cp为定压热容，为平均定压热容，tr为辐射管温度，tm为室温；

q2＝h0(tr-tf0)(5)

q3＝hi(tr-tfi)(6)

式(5)和(6)中，ho为辐射管与管外环境之间的传热系数，hi为辐射管与管内环境之间的传热系数，tfo为管外环境的温度，tr为管壁温度，tfi为管内环境温度；

所述温度控制器根据公式(3)通过以下公式(7)调节该温度控制区的温度：

式中，tfo为热处理炉工作区温度，tr为辐射管壁温度，tfi为热电偶测出的辐射管内温度；

所述温度控制器通过tfo、tr、(tr-tfo)和(tr-tfi)值，利用pid算法计算实时温度与目标温度的偏差输出控制量，实现对热处理炉进行升温阶段和保温阶段温度的精确控制。

进一步地，在所述的电热辐射管温度控制方法中，所述升温阶段根据工作区温度进行控温；进入保温阶段后，根据辐射管壁的温度信号控温。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)采用的电热辐射管内部没有电热丝，直接用辐射管作为发热体，电路接通时，电流通过辐射管时产生焦耳热使辐射管温度快速升高，直接加热辐射管的优点在于减小了传热的环节和热阻，提高了传热效率，在相同工作温度下，发热体表面温度降低，延长了辐射管的使用寿命；

(2)基于电热辐射管温度控制装置的控温模式，将热电偶分别布置在辐射管的内部，辐射管壁和热处理炉的工作区，不同阶段采取不同的控温方式，升温阶段根据工作区热电偶的信号控温，进入保温阶段后，根据辐射管壁的温度信号控温。由于热电偶的位置固定、受气流影响很小，利用pid算法计算实时温度与设定温度的偏差输出控制量，从而实现对电阻炉温度的精确控制。能保证测到炉温信号的稳定性、均匀性、精确性和灵敏性。

附图说明

图1为本发明一种电热辐射管温度控制装置的结构示意图；

图2为本发明一种电热辐射管温度控制装置的局部放大结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

如图1所示，本实施例提供一种电热辐射管温度控制装置，包括伸入热处理炉内部用于散热的至少一个电热辐射管1，还包括：一设置于所述电热辐射管1内部用于加热区温度控制的第一热电偶2；一嵌设于所述电热辐射管1管壁用于保温阶段的温度控制以及升温时的超温报警的第二热电偶3；以及一设置于所述热处理炉工作区用于升温阶段温度控制的第三热电偶4；其中，所述第一热电偶2、第二热电偶3和第三热电偶4分别电连接温度控制器，所述温度控制器根据各热电偶监测的温度，通过pid算法控制所述电热辐射管1电源启闭，以对所述热处理炉各阶段温度进行精准控制。

本实施例提供的电热辐射管温度控制装置，由温度控制器根据各个热电偶实测的温度，通过pid算法控制电热辐射管1电源启闭，对热处理炉温度进行控制。该电热辐射管温度控制装置提出新的控温模式，将热电偶分别布置在电热辐射管的内部、辐射管壁和热处理炉的工作区，针对不同阶段采取不同的控温方式：升温阶段根据工作区温度进行控温，并参考工作区温度与壁温的温差进行综合控温；进入保温阶段后，根据辐射管壁的温度信号控温，并参考壁温与工作区平均温度的温差进行控温。由于热电偶的位置固定、受气流影响很小，利用pid算法计算实时温度与设定温度的偏差输出控制量，从而实现对电阻炉温度的精确控制。能保证测到炉温信号的稳定性、均匀性、精确性和灵敏性。

作为一个优选实施例，不同于传统的辐射管，本实施例所采用的所述电热辐射管1为内部不带电热丝的金属管，其自身为发热体，无内置的发热体。如图2所示，所述电热辐射管1的侧壁开有导流孔5，且底部开设有开口6，利于气体对流传热。具体地，该电热辐射管1内部没有电阻丝绕组，辐射管1自身就是发热体，辐射管1连通到电源时，电流在辐射管的内外壁产生焦耳热，用于加热。电热辐射管1由电热合金制成；且辐射管1的表面积(直径、长度和壁厚)等几何尺寸根据加热炉的功率确定；电热辐射管1一端为电极，电极两头分别固定于炉壳外侧和炉壳内侧的保温层。

传统的电热辐射管结构是由辐射管内部有一套电阻丝绕组，电阻丝通过导热和辐射等方式将热量传给辐射管使辐射管温度升高，进而辐射管通过导热、辐射和对流方式加热工件。而本实施例所采用的电热辐射管1内部没有电热丝，直接用辐射管作为发热体，电路接通时，电流通过辐射管时产生焦耳热使辐射管温度快速升高，直接加热辐射管的优点在于减小了传热的环节和热阻，提高了传热效率，在相同工作温度下，发热体表面温度降低，延长了辐射管的使用寿命。

作为一个优选实施例，所述电热辐射管1为多根，且每两根所述电热辐射管1之间通过连接片7串联连接成对。如图1所示，电热辐射管1为两根，其之间通过连接片7串联连接。此外，该所述电热辐射管1装设于所述热处理炉顶部，且其壁厚呈上大下小，以保证辐射管从上到下承受的单位面积承受的重力基本相等，减轻电热辐射管在高温条件下的不均匀蠕变。

作为另一个优选实施例，提供一种基于上述电热辐射管温度控制装置的电热辐射管温度控制方法，具体包括如下步骤：

步骤1，在热处理炉内设置若干成对布置的电热辐射管1，在电热辐射管1内部设置第一热电偶2，用于监测电热辐射管1内部温度；在电热辐射管1管壁设置第二热电偶3，用于监测电热辐射管1管壁温度；以及在电热辐射管1外部工作区设置第三热电偶4，用于监测在热处理炉工作区的温度；

步骤2，将第三热电偶4检测的温度传给温度控制器，所述温度控制器执行控制程序进行计算与判断，判断所述热处理炉的工作状态为升温阶段或保温阶段；如果工作状态是升温阶段，就用第三热电偶4实测的温度和目标温度差值，控制辐射管的输入功率；

步骤3，在保温阶段，将第二热电偶3检测的温度传给温度控制器，所述温度控制器根据设定的目标温度，通过所述温度控制器根据所述目标温度自动控制所述电热辐射管(1)电源的启闭，以调节该温度控制区的温度；在升温阶段，所述第二热电偶3检测温度不参与炉温控制；

步骤4，将第一热电偶2检测的温度传给温度控制器，所述温度控制器根据设定的报警温度，判断所述热处理炉控温区的温度是否超过报警温度；如果超过报警温度，通过所述温度控制器根据所述目标温度自动控制所述电热辐射管1电源的通闭，使温度小于报警温度。

在本实施例中，所述步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)中，通过所述第三热电偶4实测温度与该温度控制区目标温度的差值，判断所述热处理炉的各温度控制区的工作状态处于升温阶段或保温阶段。

在本实施例中，当工作区的所述第三热电偶4检测的温度一直低于所述目标温度时，则对应的热处理炉控制区处于升温阶段；当工作区第三热电偶4检测的温度大于或等于所述目标温度时，则对应的热处理炉控制区进入保温阶段。

在本实施例中，当热处理炉处于升温阶段，根据所述第三热电偶4实测温度与该温度控制区目标温度的差值，通过pid算法控制炉温；当热处理炉进入保温阶段，通过所述第二热电偶3实测温度与该温度控制区目标温度的差值，通过pid算法控制炉温。

在本实施例中，步骤(3)中，所述电热辐射管1产生的焦耳热一部分使自身温度升高，另一部分通过导热、辐射和对流方式传输给环境，使热处理炉环境温度升高，其中：

设所述电热辐射管1的外径为壁厚δ，电阻为r，u为电压，电流通过辐射管时产生焦耳热：

q＝u²/r(1)

所述电热辐射管1的电阻r由辐射管的材质和几何尺寸综合决定：

r＝ρl/a(2)

式中，ρ为辐射管的电阻率，l为两根辐射管的长度之和，a为辐射管的平均横截面积；

根据热平衡，各部分热量的总和与焦耳热相等；

q＝q1+q2+q3(3)

式中，q为焦耳热，q1为辐射管自身升温吸收的热，q2为辐射管传给外部环境(热处理炉)的热量，q3为辐射管传给管内环境的热量；

式中，m为辐射管质量，cp为定压热容，为平均定压热容，tr为辐射管温度，tm为室温；

q2＝h0(tr-tf0)(5)

q3＝hi(tr-tfi)(6)

式(5)和(6)中，ho为辐射管与管外环境之间的传热系数，hi为辐射管与管内环境之间的传热系数，tfo为管外环境的温度，tr为管壁温度，tfi为管内环境温度；

所述温度控制器根据公式(3)通过以下公式(7)调节该温度控制区的温度：

式中，tfo为热处理炉工作区温度，tr为辐射管壁温度，tfi为热电偶测出的辐射管内温度；在热处理炉稳定工作阶段，温度值tfo、tr和tfi的平均值保持不变，相互之间存在确定的对应关系。在工艺验证试验时，根据实测的辐射管壁和管内外温度对应曲线，可通过实验确定这种对应关系，继而采用所述温度控制器通过tfo、tr、(tr-tfo)和(tr-tfi)值，利用pid算法计算实时温度与目标温度的偏差输出控制量，实现对热处理炉进行升温阶段和保温阶段温度的精确控制。

此外，所述升温阶段根据工作区实测温度与该区域目标温度的差值进行控温，并参考工作区温度与壁温的温差进行综合控温，以达到目标温度；进入保温阶段后，根据辐射管壁实测温度与该区域目标温度的差值控温

目前传统的热处理炉炉温度是通过工作区的热电偶测出的温度信号控制的，这种控温方式存在的问题是热电偶插入的位置变化和炉内气体的流动变化对测量的温度信号有很大的影响，造成温度信号的波动、不准确和滞后等；与现有技术相比，本发明提出的基于电热辐射管温度控制装置的控温模式，热电偶分别布置在辐射管的内部，辐射管壁和热处理炉的工作区，不同阶段采取不同的控温方式，升温阶段根据工作区热电偶的信号控温，进入保温阶段后，根据辐射管壁的温度信号控温。由于热电偶的位置固定、受气流影响很小，利用pid算法计算实时温度与设定温度的偏差输出控制量，从而实现对电阻炉温度的精确控制。能保证测到炉温信号的稳定性、均匀性、精确性和灵敏性。

综上，利用辐射管自身发热比传统的电阻丝加热简化了辐射管的结构，减少了辐射管的传热环节及热阻，提高了加热效率和速率，延长寿命；同时，采用本发明提出的温控方法，由于热电偶的位置固定、受气流影响很小，利用pid算法计算实时温度与设定温度的偏差输出控制量，从而实现对电阻炉温度的精确控制。能保证测到炉温信号的稳定性、均匀性、精确性和灵敏性。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。