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, Shanghai 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 liquidnitrogen. 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 control 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; 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- 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, 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? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?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 )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? ? ? ? ?