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1 概述
溫度調節儀從最早的傳統的動圈式，經歷了電子模擬式、數顯式、智能型幾個階段。從發展趨勢方面而言，智能型溫度調節儀是未來發展的主流，無論從功能、精度、使用控制等方面看都是以上其它幾種溫度調節儀無法比擬的。溫度調節儀可廣泛應用于冶金、化工、輕工、紡織、塑料機械、家用電器、烘烤箱、實驗室、制冷、醫療等諸多行業領域作-200~1800℃范圍內的溫度測量和高精度控制。如配相應的傳感器也可拓展到壓力、流量、液位等物理量的顯示和控制。
2 溫度調節儀分類
2.1 溫度設定方法分類
(1) 電位器設定
通過面板溫度調節旋鈕和刻度面板配合來設定相應所需控制溫度值。此種溫度設定不能用旋鈕設定電位器的辦法來判定儀表的靈敏度，而應用改變相應正規的輸入信號來判斷儀表的靈敏度。
(2) 電位器和指示表頭（或數字顯示）相配合設定
這種設定方法需將儀表面板上的撥動開關或按鈕開關撥向或按住在設定位置，然后旋轉相應的設定電位器，此時表頭指針（或數字顯示）隨之變化，當指針指到（數字顯示）所需設定值即可；最后撥動開關或按鈕開關返回到“測量”位置。
當對三位式控制設定時，則需將開關撥向上限或下限位置后分別轉動相應電位器進行設定，待設定完畢后，將撥動
開關返回到“測量”位置。
(3) 撥碼開關直接設定
在撥碼開關上直接設定所需溫度值，無須用開關來轉換測量與設定，使用更方便，在此方式設定時需注意不能超過儀表本身標稱量值范圍。
(4) 按鍵設定
智能型儀表可通過面板相應按鍵，按儀表芯片設置程序可對儀表所控制的上下限溫度報警值、回差、PID參數、傳感器安裝位置造成的誤差修正參數等均可通過面板相應按鍵設置并實時顯示。
(5) 設定溫度時其他注意事項
當采用時間比例、過零、移相調節功能的儀表時，面板上有“手動再調”（或稱“偏差調節”）字符的電位器，用于輸出在穩態加熱系統平衡時，因負載加熱功率的大或小，至使實測值產生高于或低于設定值的靜差修正（靜差值是輸出在穩態時輸入的溫度值與設定值之差值），調節該電位器向“+”方向修正，提高加熱功率，反之則向“－”方向修正減少加熱功率，以消除偏差，適應不同的工作狀況。
2.2 控制模式的信號輸出
(1) 斷續的開關信號：如繼電器觸點；
(2) 連續的電流信號：如0~10mA、4~20mA來控制。
2.3 調節方式規律
(1) 二位式調節
二位調節（也稱位式調節）是溫度調節儀中最常用的調節控制方式，廣泛應用于一些對溫度控制精度要求不高的溫度控制場合。此種調節是將測量與設定值相比較之差值經放大處理后，通常利用內部繼電器控制外部中間繼電器，然后再由中間繼電器去控制一交流接觸器來控制電熱絲的通斷達到控制溫度的目的。
二位調節內部繼電器工作及時間溫度控制曲線如圖1所示。
圖1 二位調節內部繼電器工作及時間溫度控制曲線
從圖1可以看出，這是一種典型的二位式升溫控制調節儀，當測量值低于設定值X1時，繼電器吸合，加熱開時，當加熱至X2時，繼電器釋放，停止加熱，而此時的設定溫度值應為X（X1+X2）/2；X1～X2反映出儀表的不靈敏區。
在圖1的控制曲線上，當被測溫度從高向低達到設定值時，輸出繼電器帶滯后一個“熱惰性溫度值”才能再次吸合。
(2) 三位式調節
三位式調節一般通過溫度調節儀內部兩個繼電器的觸點工作狀態構成調節儀三種不同的輸出狀態：即“升溫加熱”、“保溫加熱”及“停止加熱”。通常三位調節可采用兩組加熱負載，當實際測量值低于下限設定值X下時，上、下限繼電器J上、J下均吸合（上、下限繼電器為總低通、總高斷），此時工作狀態為“升溫加熱”狀態；當實際測量值溫度升至高于設定值X下，但低于上限設定值X上時，下限繼電器J下釋放，上限繼電器J上吸合（下限繼電器J下總低斷、總高通；上限繼電器仍為J上總低通、總高斷），此時工作狀態為“保溫加熱”狀態；當實際測量值溫度升至高于設定值X上時，此時上限繼電器J上釋放（上、下限繼電器均為總低斷、總高通），調節儀工作狀態為“停止加熱”狀態。
三位式控制比兩位式控制精度高，如在相同的工作環境下，升溫速度快，而溫度過沖較小，對三種工作狀態，用相應的LED（紅、綠色）進行階段指示，會使控制儀工作階段更加明晰直觀。三位式控制還可利用上、下限繼電器工作狀態，根據需求設置超溫或欠溫報警。
三位調節內部繼電器工作及時間溫度控制曲線如圖2所示。
圖2 三位調節內部繼電器工作及時間溫度控制曲線
(3) 時間比例調節
時間比例調節方式是當實際溫度進入設定溫度（即比例帶）時，繼電器即開始周期性地吸合、釋放；通過吸合與釋放時間比值來改變加熱負載的平均加熱功率，從而改變溫度的目的。
當實際溫度未進入比例帶時，繼電器吸合（總低通）負載加熱升溫進入比例帶后，繼電器工作狀態根據溫度的變化而變化：溫度越高，繼電器吸合（總低通）時間越短，溫度越低，繼電器吸合（總低通）時間越長，如此時負載上的加熱功率和散熱功率達到熱平衡時，溫度可穩定在某一值上。如穩定值得與所需值有偏差，可轉動“手動再調”電位器，直至與所需值相符即可。
時間比值 ，其中：T1―吸合時間、T2―釋放時間、T1+T2為時間比例周期。P與繼電器吸合狀態如圖3所示。
時間比例調節與位式調節相比較，由于其周期性吸放由偏差控制的，因此控制的溫度波動較小，在有擾動時，被控對象能較快趨向于平穩，不易產生持續振蕩現象。
圖3 P與繼電器吸合狀態
(4) 連續移相觸發可控硅調節
移相觸發可控硅調節是隨著測量值和設定值的偏差變化，在一定范圍（比例帶）內，控制可控硅導通角的大小，即可連續改變負載的加熱電壓，從而進行溫度控制。
移相觸發可控硅調節是采用連續緩慢調壓的方式調節加熱功率。因此，當加熱系統的散熱功率和加熱功率趨于平衡時，溫度可穩定在期望值上，由于采用無觸點開關可控硅，可以減少環境噪聲，控溫效果好，而且可顯著延長加熱器的使用壽命。移相觸發控制優點是輸出電壓連續可調，但易在控制時產生射頻干擾。
連續移相觸發可控硅調節加熱電壓與設定溫度曲線以及時間和溫度曲線如圖4所示。
圖4 加熱電壓與設定溫度曲線以及時間和溫度曲線
當X設定值<X1時，負載電壓在90%以上，隨著加熱溫度不斷升高，進入X2－X1比例帶后，負載電壓隨之降低，一般到比例帶上沿X2時，此時負載電壓已只有5%左右，從而對溫度進行有效的控制。
(5) 過零觸發調節
過零觸發可控硅調節原理與比例式調節相同，不同之處是可控硅替代繼電器，使加熱器件電壓在電壓過零時開啟負載過零時關斷，與移相觸發相比因具有上述過零觸發調節功能在實際控制中不易產生射頻干擾，其余如控制精度、控制曲線均相同，該調節可分為單相可控硅過零觸發調節和三相可控硅觸發調節。
(6) PID調節方式
PID調節方式是將測量值和設定值的偏差信號經比例積分、微分運算，處理后轉化為電壓信號去控制執行機構來達到自動控制的要求，在比例調節之外，輸出的階躍響應具有正常的積分、微分輸出特性，使調節作用快速及時、消除靜差、偏差的能力很強，尤其是在溫度滯后系統的控制中，將這三部分常數調節到合適的數值：如TD預調時間（微分時間），TI再調時間（積分時間），比例帶P，則在PID自動調節系統中因其迅速穩定、高精度的控制從而得到較為廣泛的應用。
2.4 按報警方式分
溫度調節儀按報警方式可以分為三種：
(1) 無報警；
(2) 上限最高溫度報警；
(3) 下限最低溫度報警。
3 傳感器配用
溫度傳感器是實現自動檢測和自動控制的首要環節。若沒有它對原始的各種參數進行精確、可靠的測量，那么信號轉換以及溫度數據顯示和控制環節也失去了精確的自動檢測和控制。
溫度調節儀配用傳感器類型常用有以下幾種：
3.1 熱電偶
根據所測溫度范圍和使用場所（氧化環境和還原性場所）以及熱電偶的分度號，選擇可參考表1。
熱電偶的優點如下：
(1) 熱電偶是將溫度變換成相應的電參數進行檢測，便于數據處理；
(2) 測量范圍寬，可根據靈敏度與壽命要求方便選用熱電偶的種類與線徑；
(3) 測量方法簡便，價廉易配；
(4) 狹小范圍處以及遠距離測量都很便易和測量誤差小。
綜上所述，熱電偶是測量溫度最常用的傳感器之一。
表1 熱電偶選擇
3.2 熱電阻
熱電阻傳感器是檢測金屬電阻隨溫度變化而測量溫度的傳感器，常用的有鉑熱電阻和銅電阻。
(1) 鉑電阻（Pt100）
金屬鉑的物理、化學性能穩定，鉑電阻阻值隨溫度變化的線性度好，由于鉑為貴金屬因此一般用于高精度工業測量。
(2) 銅電阻
銅電阻一般只適用于-50~+150℃范圍內的測量，因銅電阻在此溫度范圍內性能穩定，且電阻與溫度的關系也最接近線性。熱電阻的結構比較簡單，一般將電阻絲雙線繞在云母、石英、陶瓷和塑料等絕緣骨架上，經過固定，外面再加上相應的保護套管。熱電阻溫度計的測量電路采用精度較高的電橋電路。一般為減小連接導線電阻隨溫度變化而造成的測量誤差，通常采用三線和四線連接法。
如在使用時需延長三根引線時，則三根引線應選用同一材料，同一長度，同截面積，并且每根引線的阻值不應超過5Ω，以保證其測溫精度。
3.3 集成溫度傳感器
所謂集成溫度傳感器是將熱敏晶體管及其輔助電路集成在同一個芯片上的溫度傳感器，最大優點在于輸出結果與絕對溫度成正比，有良好的線性輸出，同時因具有體積小、使用方便、成本低而廣泛用于溫度檢測、控制和許多溫度補償電路中。
(1) 電壓型集成溫度傳感器
輸出電壓與溫度成正比的傳感器。
(2) 電流型集成溫度傳感器
電流型集成溫度傳感器等效于一個高阻抗的恒流源，在一定工作電壓范圍內工作時，輸出的電流嚴格按熱力學溫度變化而呈線性變化，則輸出的電流值就反映出被測溫度值。
4 溫度調節原理
4.1 原理框圖（如圖5所示）
圖5 原理框圖
框圖分析如下：
(1) 感溫元件 主要用熱電偶或熱電阻，其作用是把測量的溫度值轉換成電壓量或電阻量。
(2) 輸入橋路 將熱電偶產生的熱電勢，并對熱電偶的冷端進行自動補償或將熱電阻隨溫度變化的電阻信號通過三線輸入轉換成電壓信號。
(3) 線性化器 由于感溫元件與被測溫度之間呈非線性關系，因而要對它的輸出進行補償以保證其測量精度。
(4) 放大電路 熱電偶的輸出電壓很小，一般每度只有數十微伏的輸出，這就需要運算放大器對熱電偶的輸出電壓進行放大處理，以便進行測量。
(5) A/D轉換器 將輸入模擬量轉換成數字量，再由A/D內部譯碼驅動數碼管工作，使示值清晰，直觀可靠。
(6) 設定信號 將所需測量溫度值設入（電位器或撥碼設入）確定比較器輸入端的基準比較（電壓信號）值，與經放大電路處理的信號進行比較。
(7) 控制電路及輸出部分 經比較器輸出信號按不同控制方式執行調節電路，位式調節輸出的是繼電器的開關信號，連續調節式儀表是移相脈沖，過零脈沖或直流信號。
4.2 典型原理分析以熱電偶作外接傳感器為例（如圖6所示）
當被檢測溫度通過有塞貝克效應制成的溫度傳感器時，則會在熱電偶兩端輸出熱電動勢V(T )，而輸出的電勢應由e(T )和e(T0)組成V(T )=e(T )－e(T0)。其中e(T )是熱電偶熱端（工作端）的電勢，也是隨被測溫度T的變化而變化，是需要取得的信號；另外還有熱電偶冷卻端電勢e(T0)它是隨環境溫度變化的，在檢測溫度過程中，要求它穩定，才能保證其準確地檢測出被測溫度值。
由RP1、R6、R7、R8、Rt組成一個補償電橋，串接在熱電偶輸出回路中，使其電橋的輸出V(T0)=e(T0)，對熱電偶在檢測過程中來克服熱電偶冷端e(T0)的影響，總的輸出e(T )=V(T )+V(T0)從而消除了e(T0)誤差影響。在補償電橋中選擇適當Rt，則可在一定溫度范圍內實現其完全補償，使熱電
圖6 熱電偶作外接傳感器
偶產生的真實熱電勢經IC1a差動放大器進行相應的信號放大。
將放大信號經R26輸入到IC2 A/D轉換，顯示其測量溫度，調整VRET（36腳）為基準信號端子與外加信號端子相等，則使LED顯示其測量值；IC1b的同相輸入端的調整（RP2），使其輸出端經R9反饋到IC1a的反相輸入端，對檢測放大的信號進行一定的線形處理，IC1c則對設定值與輸出值相加經放大，通過IC1d來驅動三極管V1導通或截止，從而對溫度進行控制。
4.3 智能型溫控儀
目前國內智能型溫控儀一般都采用紅、綠雙排數碼管分別顯示測量值和設定值，具有良好的人機界面。控制儀殼體均采用DIN國際標準尺寸外形。內部采用專用微處理芯片進行數據分析和控制；如對上、下限報警值、回差、PID參數、手動輸出的百分比及因傳感器安裝位置造成的誤差修正等參數，具有先進的AI人工智能調節算法、自診斷、自整定以及自適應功能。
從功能結構上采用模塊化結構，極大的豐富了其使用功能。使其儀表能輸入各種傳感器及電壓、電流信號，通過配用不同的的模塊可輸出不同信號以滿足不同的使用場所需求；如輸出繼電器觸點通斷信號、輸出能驅動固態繼電器的有源信號還可輸出直接觸發可控硅的移相或過零脈沖信號。多樣輸出信號的輸出和控制，使其原需多臺組合方能完成相應功能，現只需一臺儀表就能完成其功能，這樣不僅提高和擴大了產品的控制性能，也大大提高了自身產品使用的可靠性。
在考慮控制儀使用場所復雜和嚴酷性，在其內部采用了模擬和數字多重濾波等新技術，使其儀表有很好的EMC電磁兼容性。控制儀工作電源有普遍采用了寬范圍開關電源和SMT表面貼裝技術，從而使產品的外觀體積更趨于微型化，工作電壓范圍更廣泛。
總之，智能溫控儀現已成為發展的主流，隨著智能化的不斷發展，使操作者可以通過簡單的操作流程實現其所需功能，相應的應用的領域也在不斷增大，并也將逐漸淘汰傳統的溫度控制儀。
5 使用注意事項
(1) 溫度調節儀在通電使用前應仔細檢查接線是否正確，傳感器的選擇和安裝位置是否滿足調節儀的測試要求。
(2) 在實際使用時，應注意不要將傳感器引線和調節儀電源線，繼電器控制線和其他電流導線捆扎或絞在一起，以防止相互干擾。
(3) 使用熱電偶盡可能使熱電偶本體與調節儀相連接，且極性勿接反，避免采用普通導線連接影響其顯示精確度。
(4) 在使用熱慣性較大的場合中，如電爐絲加熱，為避免溫度過沖現象一般可將設定值設定在所需值的90%左右，待開機幾次，再將設定值設定到所需值上。
(5) 調節儀如采用可控硅為加熱控制器件時，要保證可控硅器件有良好的散熱條件，從而使可控硅正常工作，如加在負載兩端電壓有抖動，則應將線端子輸出線對調。
(6) 調節儀如顯示出現溢出，則可能傳感器有斷路發生。
(7) 調節儀工作前應檢查是否符合要求，切忌將調節儀工作電源接入信號輸入端，以免損壞調節儀。
(8) 調節儀使用現場不應有腐蝕性氣體。
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號