工业控制之数字式温控器方案浅析
工业控制之数字式温控器方案浅析
温控器在工业控制领域扮演着至关重要的角色，其通过精确控制温度，确保设备运行在最佳状态。本文将深入探讨各种类型的温控器，重点分析数字式温控器的工作原理、核心功能及其在工业自动化中的应用。
图1、各种温控器
温控器的类型与原理
突跳式温控器
双金属片突跳式温控器是一种将定温后的双金属片作为热敏感反应组件。当产品主件温度升高时，热量传递到双金属圆片上，达到设定动作温度时迅速动作，通过机构作用使触点断开或闭合。当温度下降到复位温度设定时，双金属片迅速回复原状，使触点闭合或断开，从而控制电路。
各种突跳式温控器的型号统称KSD，常见的如KSD301、KSD302等。该温控器通常与热熔断器串接使用，作为一级保护。热熔断器则在突跳式温控器失漏或失效导致电热元件超温时，作为二级保护，防止烧坏电热元件及火灾事故。
液涨式温控器
液涨式温控器通过感温部内的物质（一般是液体）的热胀冷缩物理现象，与感温部连通的膜盒产生膨胀或收缩。以杠杆原理，带动开关通断动作，达到恒温目的。液涨式温控器具有控温准确、稳定可靠、开停温差小、控制温度调节范围大、过载电流大等性能特点，主要用于家电行业、电热设备、制冷行业等温度控制场合。
压力式温控器
压力式温控器通过密闭的内充感温工质的温包和毛细管，把被控温度的变化转变为空间压力或容积的变化，达到温度设定值时，通过弹性元件和快速瞬动机构，自动关闭触头，以达到自动控制温度的目的。它由感温部、温度设定主体部、执行开闭的微动开关或自动风门等三部分组成。压力式温控器适用于制冷器具（如电冰箱冰柜等）和制热器等场合。
电子式温控器
电子式温度控制器（电阻式）采用电阻感温的方法来测量，一般采用白金丝、铜丝、钨丝以及热敏电阻等作为测温电阻。电子式温度控制器具有稳定、体积小的优点，在越来越多的领域中得到使用。
数字式温控器
数字电子式温度控制器是一种精确的温度检测控制器，温控器可以对温度进行数字量化控制。温控器一般采用NTC热敏传感器或者热电偶作为温度检测元件，其原理是：将NTC热敏传感器或者热电偶设计到相应电路中，NTC热敏传感器或者热电偶随温度变化而改变，就会产生相应的电压电流改变，再通过微控制器对改变的电压电流进行检测、量化显示出来，并做相应的控制。数字温度控制器具有精确度高、灵敏度好、直观、操作方便等特点。
温控器的核心功能与应用
温控器的核心功能是实现自动控温，应用于工业自动化通常连接着输入装置和输出装置。输入装置有热电偶、热电阻、压力变送器、流量计、液位变送器等；输出装置有固态继电器、继电器触点开关、线性电流/电压输出、可控硅触发输出和阀门电机正反转控制输出等。
图2、温控器的输入输出
以电熔炉温控系统为例，应用了温控器自动控温。首先在温控器上设定一个目标值（SV），这就是希望最终达到的目标温度。接下来，采用测温体将电熔炉的实际温度采集到温控器，这个采集到的温度值和温控器上已经设定好的目标值进行比较，比较结果就是两者之间的偏差信号，温控器根据这个偏差信号进行处理，输出控制信号，来驱动外部的操作器对被控对象进行加热或者冷却，以达到控制的效果。
图3、电熔炉温控系统
电熔炉温控系统主要由电熔炉（被控对象，自动控制电热丝进行加热）、测温体、温控器和操作器组成。测温体是一种将温度信号转换为电信号的元件，通常安装在被控对象的检测部位，以监测其温度值。在工业控制领域，常用的测温体包括热电偶、热电阻、热敏电阻和非接触式传感器。其中，前三种属于接触式测温体。
图4、不同测温体
测温体的选择
工程师需要从温度范围、精度、成本等多个角度考量测温体的选择。其中，热敏电阻和铂电阻较多地被使用。
- 热敏电阻
热敏电阻是将温度信号转换为电信号的元件，其工作原理主要基于半导体的电阻随温度变化的特性。具体来说，热敏电阻利用半导体的这一特性来测量温度。与热电阻相比，热敏电阻的电阻随温度的变化而产生较大的变化，因此其测温范围相对较窄（-50350℃）。热敏电阻按照温度系数划定，分为负温度系数热敏电阻器（NTC）和正温度系数热敏电阻器（PTC），NTC热敏电阻具有负温度系数，随着温度的升高，其电阻值会减小。而PTC热敏电阻具有正温度系数，随着温度的升高，其电阻值会增大。在性能方面，热敏电阻的响应速度较慢，稳定性一般，测温范围相对来说也比较苛刻，一般在0-150℃左右。测量精度与铂电阻不相上下，为0.051.5℃。价格比铂电阻低。
- 铂电阻
铂电阻通过温度变化影响自身电阻值来测量温度。常用的电阻测温体主要是PT100。铂电阻的主要特点是测温精度高，配套某些温控器，可以显示到0.01摄氏度。适合在常温、中温检测（-200-650摄氏度）、无振动且对精度要求较高的应用环境中，稳定性好、耐腐蚀。
- 热电偶
热电偶的测温原理基于塞贝克效应（热电效应）。热电偶是由两种不同材料的金属（通常是导体或半导体，如铂铑、镍铬-镍硅等材料配对）构成，当两种不同材料的金属接触之后，产生电势差，找到电势差信号和温度信号之间的关系，就可以知道温度的大小。热电偶主要特点是测温范围广，热响应速度快，并且具有较强的耐振动性，测温范围-200~+2000℃，测温精度在0.5-5.0℃，构造简单，价格低。热电偶属于耐用器件，可用于危险恶劣的环境下。由于暴露于环境中，抗腐蚀性较弱，所以稳定性不如热敏电阻和铂电阻。测量精度不高，使用时必须使用补偿导线。
- 温度传感器
温度传感器属于集成式的传感器。IC类温度传感器的优点在于功耗较低，体积小，集成度高。缺点在于，它的响应速度较慢且测试温度范围仅为-70~+150℃，测温精度与热电偶传感器差不多，为0.5-5.0℃。
操作器的选择
操作器是温控器的核心输出装置，由于温控器能输出与被控对象相关的电流或电压信号，就得根据具体的应用需求选择适合的输出装置，例如各种继电器、变频器、电磁铁、电磁阀、电动阀等，他们在电路中起通断、控制、调节和保护等功能，操作器接收温控器命令自动执行加热或冷却功能，使温度逐步趋于目标值，达到控制温度目的。
- 电压输出
这是最常见的输出方式之一，通过调节电压信号的幅度来控制设备的工作状态。通常，0V表示关闭控制信号，而10V或5V表示完全打开控制信号，此时被控制设备开始工作。这种输出方式适用于控制电机、风扇、灯光等需要渐进式控制的设备。
- 继电器
继电器输出为有接点输出形式，常用于ON/OFF控制和PID控制的温控器。由于继电器内置于温控器中，所以无法具备大开闭容量。当控制高于额定的负载时，可借由设置外部电磁开关（MC）等做开闭动作。优点是可以开闭多种负载。缺点是使用接点方式，所以有开闭次数的寿命限制。
- 固态继电器
固态继电器输出是使用半导体元件的无接点继电器，可直接开闭交流电压。优点是寿命长。缺点是因固态继电器内置于温控器内，所以开关容量并不大。又因半导体元件的特性及减震回路之故，存在漏电流及残留电压。
- 变频器
温控器与变频器结合使用，可以根据负载和温度变化及时调整电动机的输出功率和转速，从而达到节能、稳定的效果。例如家畜圈舍的节能控制，使用温控器的2个控制输出，1台控制器控制加热，1台控制冷却。用变频器控制冷却风扇电机，可减少电力消耗。
图5、家畜圈舍的节能控制
数字式温控器的内部结构解析
根据EnMaking对奥托尼克斯温控器TC4M-14R的拆解，它们尝试解密温控器上常用的电子元器件或芯片方案。奥托尼克斯的TC4M-14R具有100 ms的高速采样率和±0.5%的显示精度，支持继电器输出和固态继电器输出，可轻松切换PV和SV。
TC4M-14R是简单的外壳分离方式，整个外壳使用卡扣固定，并没有使用任何的螺丝。拆卸时使用镊子或者螺丝刀按下卡扣即可拆开，再抽出线路板。拆开后的线路板由三块组成，且均由塑料结构卡扣固定。
拆开后的线路板由三块组成，且均由塑料结构卡扣固定。三块线路板分别为LED显示面板，电源板，主控板；电源板和主控板通过排线焊接连接；主控板与LED面板通过垂直焊接连接。
LED显示面板使用0603封装LED作为温度和功能显示，使用结构件分割导光，实现了数码管的功能，并没有直接使用数码管，这样可以最大程度的降低成本，面板上还有轻触按键，LED则直接使用矩阵的方式，由主控芯片直接驱动。
主控板，包含了温度传感器信号采集，主控芯片，输出继电器。信号采集兼容PT100和K型热电偶，通过电子开关芯片的74HC4316，输入到OPA188放大电路和LM2904放大电路，三颗芯片均使用德州仪器品牌，可谓用料良心。主控的单片机使用一颗LQFP48封装的芯片，由于芯片丝印F8515A是后标上去的，并不能确定品牌和型号。输出继电器是富士通的FTR-F3AA006E。
电源板使用PI的TNY266PN开关电源方案，输出包含正负电源，给放大电路供电和主控供电。此外电源板正面除了PI的TNY266PN，还有1颗东芝的TLP624光耦，实现过零检测；1颗富士通的FTR-F3AA012E继电器，1颗丝印SH 714A 2109的变压器，6颗电解电容器，2颗安规电容等。此外电源板背面还设计了两路通过光耦控制的12V输出，两颗光耦是光宝的LTV-356T，此输出直接使用PNP三极管驱动，故说明书上写的提供20mA输出能力。
综上所述，工程师设计一款温控器并不简单，涵盖原理图、器件选型、电路图设计、PCB布局以及相应的试样与调试等多个环节。