第3章 加热模块的设计
3.1 加热模块设计框图
图3-1 加热模块设计框架图
如图3-1，加热单元系统由铂电阻传感器、智能显示调节仪、功率放大驱动器、电热丝、S7-1200PLC控制器以及附加的散热风扇、对射式传感器组成。其中功率放大驱动器，智能显示调节仪、对射式传感器的电源都是直接从开关电源直接接取24V直流电。加热电阻丝功率的大小可以靠有功率驱动控制器进行改变。加热单元内的当前温度和设定温度值可以直接在智能显示仪表上显示。对射式传感器，可以适用于工业应用中物料的到位检测及进行暂停加热处理。
3.2 加热模块硬件设计
3.2.1 测温传感器的选择
测温传感器的选择，关系着整个加热单元的成败。通过测温传感器测得实际状态的温度，再与自己原先所要加热到的温度设定值进行比较，具有十分重要的意义。经过查阅，我了解到常用的温度传感器主要为四种：热电偶传感器、热敏电阻传感器、热电阻传感器以及集成电路温度传感器[5]。
通过对四种传感器的了解，我对四个测温传感器进行了比较。在测量温度和测量精度方面，热电偶传感器、热敏电阻传感器、热电阻传感器以及集成电路温度传感器四种传感器对应的温度范围分别为：-270℃-1800℃、-100℃-450℃、-250℃-900℃、-55℃-150℃。测量精度分为为±0.5℃、±0.1℃、±0.01℃、±1℃。对比可得在温度范围都适用的情况下，热电阻RTD传感器的测量精度较高，所以选择它作为加热单元的测温传感器。而且铂电阻传感器在加热单元中，要测的是整个加热单元内部空间的平均温度，而热电阻本来就
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是用来测空间平均温度的，效果会比热电偶好很多，热电偶适合的是对点的测量。所以选择热电阻作为加热单元的测温传感器。热电阻的RTD材料有三种，铂、镍、铜。因为我们要测量的是温度变化的大小，所以选择的材料，它要受温度变化，电阻变化量比较大，这样才能比较容易测量。
表3-1中，经过对比PT（铂）和CU（铜）的特性，在0℃材料典型电阻率对比中，铜的电阻率比铂的阻值率小。这说明铜比铂需要更长的长度绕成敏感元件，从经济性比较，如果应用铜作为热电阻的材料，成本比铂做热电阻RTD材料来得高。而且作为敏感元件，它的长度越长，线径越细，它的可靠性也越低。所以对比我选择了铂电阻制作的热电阻传感器作为加热单元的测温传感器[6]。我选择了三线制PT100铂电阻传感器如图3-2。
PT100铂电阻的测温范围为-200°C-500°C，允许的偏差为允许偏差为±(0.15+0.002∣t∣) °C。当环境温度为15°C-35°C的时候，可用电源电压为10-100V DC直流。这种传感器具有耐腐蚀性高，防水性好的特点。采用三线制可以减小引线电阻带来的影响。PT100三根引出线，红、蓝、蓝，依次假设为A、B、C，则用万能电表测，可以测得AB之间，AC之间的电阻大概都为110Ω左右，BC之间的电阻近似为0Ω。
表3-1 PT（铂）和CU（铜）特性比较
热电阻RTD材料 铂 镍 铜
0°C时热响应 0.00385Ω/Ω°C 0.00672Ω/Ω°C 0.00427Ω/Ω°C 0°C材料典型电阻率 9.81X10-6Ω/m 5.91X10-6/m 1.53X10-6/m
图3-2 三线制铂电阻传感器
3.2.2 智能显示调节仪的选择
智能显示调节仪我选择联泰仪表有限公司生产的智能显示调节仪，型号为XMTF-8322-99PD。如图3-3是它的面板，图3-4是它的背面接线端。
图3-3 智能调节仪XMTF-8322-99PD面板
图3-4 智能调节仪XMTF-8322-99PD背面接线端
智能调节仪XMTF-8322-99PD的工作温度范围为0°C-50°C，符合实验室的温度要求。15、16引脚为电源的接线端，工作电压为DC直流24V或者AC交流220V，既可以从插座直接接取220V电压，又可以通过PLC或者其他电子仪器内置的开关电源直接接取24V直流电。XMTF-8322-99PD表明它有三组继电器，变送输出为DC直流的1-5V。1、2端子可以接热电偶，或者1、2、3端子可以接热电阻，例如上述有讲到的铂电阻，蓝、蓝两条引出线接1、2，红线接第3端子就可以。1、4端子可以接电压输入，1、4、5端子可以接电流输入。4、5、6可以接温度变送器。7、8为直流输出0-5V。9、10、11、12可以接两个继电器。所以它的输入信号多样，输出多样，既可以做铂电阻传感器测温的实验，又可以做其他实验的扩展，方便实验室的使用。
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3.2.3 加热电阻丝的选择
图3-5 400W加热电阻丝
如图3-5，选择最常见的400W加热电阻丝。这种类型的电阻丝耐高温、而且升温快。电阻波动和功率偏向小，平常是适用于各类烘箱或者小型电炉的，它的使用寿命长。使用这种类型的加热电阻丝，材料容易获得，而且价格便宜[7]。
3.2.4 功率驱动器的选择
控制加热单元内部空间的温度，并不是控制加热电阻丝对空间进行加热，而只是控制电热丝，那么只需要调压改变功率就可以了，变化电压即可达到控制电热丝的功率即发热量的目的。选择蓝天电子公司生产的型号为LK-03的有刷控制器如图3-5，作为加热电阻丝的功率驱动器，它内部可控硅调压电路调节电压大小对其进行功率控制，对加热电阻丝的功率进行改变。有刷电机驱动控制器使用的电源为DC直流24V，可直接从开关电源接取24V直流电源。
图3-6 蓝天电子有刷控制器
3.2.5 散热风扇的选择
散热风扇我选择锐风公司生产的，DC直流电压24V，0.14A ，4010风机。DC直流24V电源，我可以直接设计一个开关量来控制它，需要散热时，控制开关量转动风扇对其进行降温。同样的，这DC直流24V电源，从开关电源中接取24V。
3.2.6 到位检测传感器的选择
选择对射式传感器。它是发射端发出红光或红外，接收端接收。有物体经过光线切断，
便输出信号。可以用于实验平台上检测物料是否到位，若到位，停下进行加热处理[8]。
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