温度测量及控制实验
一、实验目的
1、了解热电阻或热电偶等温度传感器的工作原理和与工作特性；
2、学习PID控制方法和原理，加深对各式温度传感器工作特性的认识。

二、实验原理
PT100温度感测器是一种以白金(Pt)作成的电阻式温度检测器，属于正温度系数热敏电阻传感器，具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

其电阻和温度变化的关系式如下：R=R0(1+αT)
其中α=0.00392，R0为100Ω(在0℃的电阻值)，T为摄氏温度
依据1821年塞贝克发现的热电现象，即：当两种不同的导体或半导体接成闭合回路时，如果它们的两端接点的温度不同，则在该回路中就会产生电流。

这表明回路中存在电动势，称为塞贝克温差电势，简称热电势。

K型热电偶是以镍铬合金为正极，镍硅合金为负极的两导体的一端焊接而成的。

这两根导体的焊接端称为K型的热电极，其焊接端为热端，非焊接端为冷端。

在进行温度测量时，将插入被测的物体介质中，使其热端感受到被测介质的温度，其冷端置于恒定的温度下，并用连接导线连接电气测量仪表。

由于两端所处的温度不同，在回路中就会产生热电势，在保持冷端温度不变的情况下，产生的热电势只随其热端温度而变化。

因此，用电气测量仪表测得热电势的数值后，便可求出对应的温度数值。

由于这种合金具有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。

K型热电偶能测量较高温度，可长期测量1000度的高温，短期可测到1200度。

1.系统框图
控制系统的主要工作过程是：用户在人机界面上设置目标温度及各个控制参数，热电偶测量被控对象的温度信号，经过EM231热电偶模拟量输入模块转换为标准的数字量，PLC作出相应的数字处理，并进行PID控制的运算。

在固态继电器输出方式下通过输出过程映像寄存器发出PWM波来驱动固态继电器控制加热器工作。

在调压模块输出方式下通过模拟量输出模块EM232驱动调压模块控制加热器工作。

2.固态继电器调压原理
(1) 上升时间tr
(2) 峰值时间tp
(3) 超调量Mp
在本实验中，超调量为最大偏差/设定温度，为百分
比形式。

(4) 调整时间ts
三、实验步骤
1、在实验室使用的是一个1000W的加热器，加热水量约为600mL。

为了节省实验时间我们首先将设定温度设置为40度，待温度基本稳定后记录从40度加热到60度时的各个过程参数。

2、进入触摸屏“PID加热控制”，设置合适的PID参数，点击“加热”按钮开始加热。

3、进入触摸屏“过程曲线监控”或者“过程变量监控”对加热过程进行监控，摘抄数据。

4、同时在电脑Setp 7 MicroWIN软件上监控。

在菜单栏“工具”调出“PID调节控制面板”，这个曲线可以保存无数个点，能完整地显示整条温度曲线，方便截图。

四、实验数据处理
1、设置不同的参数，操作并填写下表1实验数据：
表1 实验过程相关数据
设定参数由40度到60度测量参数
Kp Ti(分) Td(分) 最大偏差(度) 超调量% 上升时间(秒) 峰值时间(秒)
20 2 0 0.5 0.83% 280s 340s
40 1 0 0.6 1.00% 290s 310s
50 2 0 0.8 1.33% 420s 480s
80 8 0 1.2 2.00% 580s 650s
设定不同参数的实验曲线如下：
①增益20，积分时间2min，微分时间0min
②增益40，积分时间1min，微分时间0min
③增益50，积分时间2min，微分时间0min
④增益80，积分时间8min，微分时间0min
由于实验曲线难以放大观察，在改变参数之后，各曲线的基本趋势很相似；另外，读取上升时间与峰值时间时误差也比较大。

在一定范围内，比较1、3曲线，可知：当调高增益Kp时，系统反应的最大偏差增大，上升时间与峰值时间也都增大；综合比较4组数据，可知：当调高积分时间Ti时，系统反应的最大偏差同样增大，上升时间与峰值时间也都增大。

2、利用温控系统设计不同的目标温度，测量PT100热电阻在不同温度下的阻值，分析其工作原理。

表2 PT100实验测量数据
温度（℃）45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 94.6 阻值（Ω）112.7 114.4 116.2 117.8 119.5 121.3 122.8 124.6 126.2 127.9 129.6
根据数据画出曲线如下：
由图可看出：在一定范围内，PT100热电阻的阻值与温度成正比例关系，这是因为PT100热电阻属于正温度系数热敏电阻。

当温度升高时，阻值随着增大。

五、思考题
1、根据实验结果查询并比较热电偶和热电阻传感器的工作原理和应用特性。

答：
热电偶传感器
工作原理：利用塞贝克效应制造的一种传感器，当将另一端温度保持一定时，那么回路的热电动势则变成测量端温度的单值函数。

应用特征：测量范围广，准确度高，能适应各种测量对象的要求（特定部位或狭小场所），适于远距离测量和控制。

但测量时必须有参考端，并且温度要保持恒定。

热电阻传感器
工作原理：利用物质在温度变化时自身电阻也随着发生变化的特性来测量温度。

应用特征：在所有常用温度计中，准确度最高，可达1mk。

输出信号大，灵敏度高。

测量时无需参考点，温度值可由测得的电阻值直接求出。

但其热响应时间长，不适宜测量体积狭小和温度瞬变区域。

2、P(增益Kp)和Ti(积分时间)参数对加热控制效果有何影响？
答：P和Ti参数的增大都会使系统的超调量和反应时间增大。

所以，当这些参数增大到超过合适的范围后，系统的加热效果变得不稳定。

3、增益越大，上升时间就越短吗？如果不是，什么原因导致了这种误差？
答：由实验曲线1、3可看出，当增益增大时，上升时间不但没有变短，反而是变长，这可能是由于水的比热容较大，温度稳定性较好，因此表现出来的水温反应时间差异不大。

六、实验心得
实验时，我们小组分工明确，将各项实验操作分给各组员去完成，如设置参数、截图、换水、测电阻、读数据、记录数据等。

通过此次实验的学习，我明白了热电阻和热电偶传感器的工作原理和与工作特性，它们的原理都很简单。

利用温度传感器设置了一个PID控制水温的方法，这让我再一次熟悉了之前所学的自动控制原理中的知识点。