工業控制之數字式溫控器方案淺析

　　溫控器有多種稱呼，如溫控開關、溫度保護器和溫度控制器等。根據工作原理，它可以分為突跳式溫控器、液漲式溫控器、壓力式溫控器、電子式溫控器和數字式溫控器。在現代工業控制設備中，數字式溫控器是最常用的類型。根據結構，溫控器可以分為一體式溫控器和模塊型溫控器。

　　圖1、各種溫控器

　　1、突跳式溫控器

　　雙金屬片突跳式溫控器是一種將定溫后的雙金屬片作為熱敏感反應組件，當產品主件溫度升高時所產生的熱量傳遞到雙金屬圓片上，達到動作溫度設定時迅速動作，通過機構作用是觸點斷開或閉合;當溫度下降到復位溫度設定時，雙金屬片迅速回復原狀，使觸點閉合或斷開，達到接通或斷開電路的目的，從而控制電路。

　　各種突跳式溫控器的型號統稱KSD，常見的如KSD301,KSD302等，該溫控器是雙金屬片溫控器的新型產品，主要作為各種電熱產品具過熱保護時，通常與熱熔斷器串接使用，突跳式溫控器作為一級保護。熱熔斷器則在突跳式溫控器失漏或失效導致電熱元件超溫時，作為二級保護，有效地防止燒壞電熱元件以及由此而引起的火災事故。

　　2、液漲式溫控器

　　液漲式溫控器是當被控制對象的溫度發生變化時使溫控器感溫部內的物質(一般是液體)產生相應的熱脹冷縮的物理現象(體積變化)，與感溫部連通一起的膜盒產生膨脹或收縮。以杠桿原理，帶動開關通斷動作，達到恒溫目的液脹式溫控器具有控溫準確，穩定可靠，開停溫差小，控制溫控調節范圍大，過載電流大等性能特點。液漲式溫控器主要用于家電行業，電熱設備，制冷行業等溫度控制場合用。

　　3、壓力式溫控器壓力式溫控器通過密閉的內充感溫工質的溫包和毛細管，把被控溫度的變化轉變為空間壓力或容積的變化，達到溫度設定值時，通過彈性元件和快速瞬動機構，自動關閉觸頭，以達到自動控制溫度的目的。它由感溫部、溫度設定主體部、執行開閉的微動開關或自動風門等三部分組成。壓力式溫控器適用于制冷器具(如電冰箱冰柜等)和制熱器等場合。

　　4、電子式溫控器

　　電子式溫度控制器(電阻式)是采用電阻感溫的方法來測量的，一般采用白金絲、銅絲、鎢絲以及熱敏電阻等作為測溫電阻，這些電阻各有其優缺點。一般家用空調大都使用熱敏電阻式。電子式溫度控制器具有穩定，體積小的優點，在越來越多的領域中得到使用。

　　5、數字式溫控器

　　數字電子式溫度控制器是一種精確的溫度檢測控制器，溫控器可以對溫度進行數字量化控制。溫控器一般采用NTC熱敏傳感器或者熱電偶作為溫度檢測元件，它的原理是：將NTC熱敏傳感器或者熱電偶設計到相應電路中，NTC熱敏傳感器或者熱電偶隨溫度變化而改變，就會產生相應的電壓電流改變，再通過微控制器對改變的電壓電流進行檢測、量化顯示出來，并做相應的控制。數字溫度控制器具有精確度高、靈敏度好、直觀、操作方便等特點。

　　溫控器的核心功能是實現自動控溫，應用于工業自動化通常連接著輸入裝置和輸出裝置，輸入裝置有熱電偶、熱電阻、壓力變送器、流量計、液位變送器等;輸出裝置有固態繼電器、繼電器觸點開關、線性電流/電壓輸出、可控硅觸發輸出和閥門電機正反轉控制輸出等。

　　圖2、溫控器的輸入輸出

　　以圖3的電熔爐溫控系統為例，應用了溫控器自動控溫。我們首先在溫控器上設定一個目標值(SV)，這就是我們希望它最終達到的目標溫度，接下來，我們采用測溫體將電熔爐的實際溫度采集到溫控器，這個采集到的溫度值和溫控器上已經設定好的目標值進行比較，比較結果就是兩者之間的偏差信號，溫控器根據這個偏差信號進行處理，輸出控制信號，來驅動外部的操作器對被控對象進行加熱或者冷卻，以達到控制的效果。

　　電熔爐溫控系統主要由電熔爐(被控對象，自動控制電熱絲進行加熱)、測溫體、溫控器和操作器組成。測溫體是一種將溫度信號轉換為電信號的元件，通常安裝在被控對象的檢測部位，以監測其溫度值。在工業控制領域，常用的測溫體包括熱電偶、熱電阻、熱敏電阻和非接觸式傳感器。其中，前三種屬于接觸式測溫體。

　　圖4、不同測溫體

　　測溫體是溫控器的核心輸入裝置，工程師需要從溫度范圍、精度、成本等多個角度考量。其中熱敏電阻和鉑電阻較多的被使用。

　　1、熱敏電阻熱敏電阻是將溫度信號轉換為電信號的元件，其工作原理主要基于半導體的電阻隨溫度變化的特性。具體來說，熱敏電阻利用半導體的這一特性來測量溫度。與熱電阻相比，熱敏電阻的電阻隨溫度的變化而產生較大的變化，因此其測溫范圍相對較窄(-50~350℃)。熱敏電阻按照溫度系數劃定，分為負溫度系數熱敏電阻器(NTC)和正溫度系數熱敏電阻器(PTC)，NTC熱敏電阻具有負溫度系數，隨著溫度的升高，其電阻值會減小。而PTC熱敏電阻具有正溫度系數，隨著溫度的升高，其電阻值會增大。在性能方面，熱敏電阻的響應速度較慢，穩定性一般，測溫范圍相對來說也比較苛刻，一般在0-150℃左右。測量精度與鉑電阻不相上下，為0.05~1.5℃。價格比鉑電阻低。

　　2、鉑電阻鉑電阻通過溫度變化影響自身電阻值來測量溫度。常用的電阻測溫體主要是PT100。鉑電阻的主要特點是測溫精度高，配套某些溫控器，可以顯示到0.01攝氏度。適合在常溫、中溫檢測(-200-650攝氏度)、無振動且對精度要求較高的應用環境中，穩定性好、耐腐蝕。

　　3、熱電偶熱電偶的測溫原理基于塞貝克效應(熱電效應)。熱電偶是由兩種不同材料的金屬(通常是導體或半導體，如鉑銠、鎳鉻-鎳硅等材料配對)構成，當兩種不同材料的金屬接觸之后，產生電勢差，找到電勢差信號和溫度信號之間的關系，就可以知道溫度的大小。熱電偶就是根據這種原理來檢測溫度的。熱電偶主要特點是測溫范圍廣，熱響應速度快，并且具有較強的耐振動性，測溫范圍-200~+2000℃，測溫精度在0.5-5.0℃，構造簡單，價格低。熱電偶屬于耐用器件，可用于危險惡劣的環境下。由于暴露于環境中，抗腐蝕性較弱，所以穩定性不如熱敏電阻和鉑電阻。測量精度不高，使用時必須使用補償導線。4、溫度傳感器溫度傳感器屬于集成式的傳感器。IC類溫度傳感器的優點在于功耗較低，體積小，集成度高。缺點在于，它的響應速度較慢且測試溫度范圍僅為-70~+150℃，測溫精度與熱電偶傳感器差不多，為0.5-5.0℃。操作器是溫控器的核心輸出裝置，由于溫控器能輸出與被控對象相關的電流或電壓信號，就得根據具體的應用需求選擇適合的輸出裝置，例如各種繼電器、變頻器、電磁鐵、電磁閥、電動閥等，他們在電路中起通斷、控制、調節和保護等功能，操作器接收溫控器命令自動執行加熱或冷卻功能，使溫度逐步趨于目標值，達到控制溫度目的。1、電壓輸出：這是最常見的輸出方式之一，通過調節電壓信號的幅度來控制設備的工作狀態。通常，0V表示關閉控制信號，而10V或5V表示完全打開控制信號，此時被控制設備開始工作。這種輸出方式適用于控制電機、風扇、燈光等需要漸進式控制的設備。

　　2、繼電器繼電器輸出為有接點輸出形式，常用于ON/OFF控制和PID控制的溫控器。由于繼電器內置于溫控器中，所以無法具備大開閉容量。當控制高于額定的負載時，可借由設置外部電磁開關(MC)等做開閉動作。優點是可以開閉多種負載。缺點是使用接點方式，所以有開閉次數的壽命限制。

　　3、固態繼電器固態繼電器輸出是使用半導體元件的無接點繼電器，可直接開閉交流電壓。優點是壽命長。缺點是因固態繼電器內置于溫控器內，所以開關容量并不大。又因半導體元件的特性及減震回路之故，存在漏電流及殘留電壓。

　　4、變頻器

　　溫控器與變頻器結合使用，可以根據負載和溫度變化及時調整電動機的輸出功率和轉速，從而達到節能、穩定的效果。例如家畜圈舍的節能控制，使用溫控器的2個控制輸出，1臺控制器控制加熱，1臺控制冷卻。用變頻器控制冷卻風扇電機，可減少電力消耗。

　　圖5、家畜圈舍的節能控制

　　根據EnMaking對奧托尼克斯溫控器TC4M-14R的拆解，它們嘗試解密溫控器上常用的電子元器件或芯片方案。

　　奧托尼克斯的TC4M-14R具有100 ms的高速采樣率和±0.5%的顯示精度，支持繼電器輸出和固態繼電器輸出，可輕松切換PV和SV。

　　TC4M-14R是簡單的外殼分離方式，整個外殼使用卡扣固定，并沒有使用任何的螺絲。拆卸時使用鑷子或者螺絲刀按下卡扣即可拆開，再抽出線路板。拆開后的線路板由三塊組成，且均由塑料結構卡扣固定。

　　拆開后的線路板由三塊組成，且均由塑料結構卡扣固定。三塊線路板分別為LED顯示面板，電源板，主控板;電源板和主控板通過排線焊接連接;主控板與LED面板通過垂直焊接連接。

　　LED顯示面板使用0603封裝LED作為溫度和功能顯示，使用結構件分割導光，實現了數碼管的功能，并沒有直接使用數碼管，這樣可以最大程度的降低成本，面板上還有輕觸按鍵，LED則直接使用矩陣的方式，由主控芯片直接驅動。

　　主控板，包含了溫度傳感器信號采集，主控芯片，輸出繼電器。信號采集兼容PT100和K型熱電偶，通過電子開關芯片的74HC4316，輸入到OPA188放大電路和LM2904放大電路，三顆芯片均使用德州儀器品牌，可謂用料良心。主控的單片機使用一顆LQFP48封裝的芯片，由于芯片絲印F8515A是后標上去的，并不能確定品牌和型號。輸出繼電器是富士通的FTR-F3AA006E。

　　綜上所述，工程師設計一款溫控器并不簡單，涵蓋原理圖、器件選型、電路圖設計、PCB布局以及相應的試樣與調試等多個環節。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺，過去數年已積累了海量極具優勢的芯片貨源。我們聚焦服務元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產業供需略盡綿薄之力。

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