摘要：該文提出了一種熱電偶與紅外融合的溫度感知技術(shù)，利用該技術(shù)可以對熱處理爐的工作溫度進行全方位監(jiān)測；在此基礎(chǔ)上，還提出可以利用PID控制方法對熱處理爐的系統(tǒng)精度進行控制，根據(jù)熱電偶與紅外融合的溫度感知技術(shù)監(jiān)測得到溫度值調(diào)整熱處理爐的工作溫度。利用該文提出的方法可以實現(xiàn)熱處理爐爐溫均勻性感知與系統(tǒng)精度調(diào)節(jié)，為獲得預(yù)期的金屬材料加工性能奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：熱處理爐；爐溫均勻性；系統(tǒng)精度；控制方法

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.10.007

中圖分類號：TG 155.1；TP 3 文獻標志碼：A 文章編碼：1672-7274（2024）10-00-03

Research on Temperature Uniformity Perception and System Accuracy Control Method for Heat Treatment Furnace

Abstract： The article proposes a temperature sensing technology that combines thermocouples and infrared， which can be used to comprehensively monitor the working temperature of the heat treatment furnace; On this basis， the article also proposes to use PID control method to control the system accuracy of the heat treatment furnace， and adjust the working temperature of the heat treatment furnace based on the temperature value monitored by the temperature sensing technology of thermocouple and infrared fusion. The method described in the article can be used to achieve temperature uniformity sensing and system accuracy adjustment in heat treatment furnaces， laying the foundation for obtaining the expected processing performance of metal materials.

Keywords： heat treatment furnace; uniformity of furnace temperature; system accuracy; control method

0 引言

熱處理爐是對金屬材料實施熱加工的設(shè)備，熱處理爐的溫度均勻性和系統(tǒng)精度直接決定了金屬材料加工后的最終性能。要想科學(xué)地調(diào)整熱處理爐的工作溫度，需要建立一整套溫度感知與精度控制方法[1]。本文提出了一種熱處理爐爐溫均勻性感知和系統(tǒng)精度控制方法，供相關(guān)工程人員參考應(yīng)用。

1 熱處理加工概述

1.1 金屬加工的熱處理

在金屬加工行業(yè)中，熱處理是關(guān)鍵工序環(huán)節(jié)。不同類型的金屬材料在不同溫度下具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)；通過調(diào)整金屬材料的溫度可以實現(xiàn)對金屬加熱和冷卻過程的主動控制，在不同溫度條件下對金屬材料進行退火、淬火、回火和正火處理，進而獲得金屬材料的預(yù)期性能。熱處理在熱處理爐中進行，熱處理爐的溫度相關(guān)參數(shù)可以預(yù)定義設(shè)置，可以根據(jù)需要的金屬材料性能計算加熱/冷卻的溫度和時間，從而獲得理想的加熱/冷卻條件，確保金屬材料性能穩(wěn)定且受控[2，3]。

1.2 熱處理爐的功能

在熱處理加工過程中，熱處理爐的作用與金屬材料的熱加工過程緊密對應(yīng)，其主要功能詳見圖1。

在圖1中，熱處理爐隨著金屬材料加工進程而發(fā)揮著退火、淬火、回火、正火和表面硬化的功能。其中，通過退火可以提升金屬材料的韌性和塑性，之后進行的淬火和回火可以進一步提高金屬材料的硬度和強度，并使之保持在額定值，利用正火工序?qū)饘俨牧系牧W(xué)性能進行精細化調(diào)整，之后通過加熱和快速冷卻完成金屬材料的表面硬化處理，進一步提高材料的耐磨性和疲勞強度。由此可見，作為金屬材料熱處理加工工序的重要設(shè)備，熱處理爐完成了主要的功能性操作。通過控制熱處理爐的爐溫，可以獲得具有理想性能的金屬材料。因此，在工程實踐中需要探索精細化爐溫控制方法，提升金屬材料的整體加工性能[4]。

1.3 熱處理爐的性能指標

衡量熱處理爐性能的重要指標是爐溫均勻性與系統(tǒng)精度，控制熱處理爐性能的重要依據(jù)是合理調(diào)整爐溫均勻性與系統(tǒng)精度。兩者達到平衡狀態(tài)，有利于提升熱處理爐的工作性能，直接影響金屬材料的熱加工效果。

熱處理爐的爐溫均勻性是指爐內(nèi)各部位溫度分布均一、沒有明顯的差別，能夠確保金屬材料在爐內(nèi)受熱均勻。在爐溫均勻分布的熱處理爐內(nèi)，金屬材料各部位在同一時間受到的熱力學(xué)作用特征一致，不會因為溫差界面的存在而出現(xiàn)開裂、變形、彎曲等物理損傷。控制熱處理爐的爐溫均勻性，需要減少不同部位溫差界面的存在，同時確保溫度升降按照時間順序穩(wěn)定變化。

熱處理爐的系統(tǒng)精度是指通過技術(shù)方法準確感知爐溫分布和變化趨勢，在此基礎(chǔ)上對爐溫實施控制，從而使溫度指標始終符合預(yù)期目標。控制熱處理爐的系統(tǒng)精度，能夠提升金屬材料的加工水平，最終獲得符合預(yù)期要求的金屬材料[5]。

2 熱處理爐爐溫均勻性感知方法

2.1 熱電偶與紅外融合測溫技術(shù)概述

在熱處理爐溫度感知方法中，熱電偶和紅外感知是兩種不同的方法。熱電偶爐溫感知方法是通過在爐體內(nèi)不同部位排布熱電偶，測量一定范圍內(nèi)的爐溫數(shù)據(jù)；而紅外爐溫感知方法則是通過利用紅外線對爐體內(nèi)部進行探測進而獲得溫度分布數(shù)據(jù)。兩種方法具有不同的特點，優(yōu)缺點如表1所示。

由表1可以看出，作為兩種不同原理的測溫方法，熱電偶爐溫感知方法和紅外爐溫感知方法的優(yōu)缺點互補，能夠?qū)崿F(xiàn)很好的兼容使用。因此，本文提出了一種熱電偶與紅外融合的測溫技術(shù)，在降低測溫成本的同時獲得預(yù)期的溫度測量精度，為爐溫高精度控制奠定基礎(chǔ)。

2.2 熱電偶與紅外融合測溫方法設(shè)計

熱電偶與紅外融合測溫方法是將熱電偶爐溫感知與紅外爐溫感知方法綜合使用，并結(jié)合爐體特征進行適應(yīng)性改進。具體來說，就是在爐體底部沿周長合理布設(shè)熱電偶，測量底部溫度；在爐體上方布設(shè)紅外測溫儀，對爐體中上部利用巡回探照的方式進行溫度數(shù)據(jù)采集。為了降低測量誤差，當爐內(nèi)處理的金屬材料具有揮發(fā)性質(zhì)，也就是在溫度升高過程中會釋放過量氦氣、氛氣等影響紅外測量精度時，利用移動熱電偶對溫度進行補充測量，實現(xiàn)對紅外測溫數(shù)據(jù)的合理校正。熱電偶與紅外融合測溫技術(shù)在熱處理爐內(nèi)的應(yīng)用方法如圖2所示。

在圖2中，熱電偶主要測量熱處理爐底部的溫度變化情況，紅外測溫儀測量熱處理爐中部和上部的溫度變化情況；當監(jiān)測到熱處理爐內(nèi)揮發(fā)性氣體濃度超標而影響到紅外測溫儀的檢測精度時，調(diào)整熱電偶作為紅外測溫儀的誤差補償。將熱電偶和紅外測溫儀的溫度測量數(shù)據(jù)同步傳輸進入溫度數(shù)據(jù)分析計算機，由計算機進行分析與處理。

2.3 熱電偶與紅外融合測溫數(shù)據(jù)處理

將熱電偶與紅外融合測溫技術(shù)監(jiān)測獲得的熱處理爐爐溫數(shù)據(jù)，在溫度數(shù)據(jù)分析計算機內(nèi)進行分析與處理。熱電偶與紅外測溫儀測量得到的溫度數(shù)據(jù)具有融合的性質(zhì)，需要遵循圖3所示的步驟。

在圖3中，對于溫度融合數(shù)據(jù)，首先進行預(yù)處理。判定溫度傳感器采集到的超過上下限閾值的數(shù)據(jù)為壞數(shù)據(jù)，將其進行剔除。對于數(shù)據(jù)噪聲，利用卡爾曼濾波的方法進行剔除。在數(shù)據(jù)預(yù)處理過程中利用插值方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)時間同步。對于預(yù)處理完畢的溫度數(shù)據(jù)，利用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法將熱電偶數(shù)據(jù)和紅外數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，之后利用貝葉斯融合的方法計算相似數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與融合。數(shù)據(jù)融合完畢之后，利用統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進行基本性質(zhì)分析。溫度數(shù)據(jù)的基本性質(zhì)包括平均值、標準差和方差等指標，計算這些指標之后統(tǒng)計其變化趨勢。對于分析結(jié)果，在顯示終端進行圖表化顯示，利用機器學(xué)習(xí)的方法預(yù)測熱處理爐溫度的未來變化趨勢，提前對爐溫變化進行判斷，將故障隱患消除在萌芽階段。

3 熱處理爐系統(tǒng)精度控制方法

3.1 PID溫度控制方法概述

對于熱處理爐的系統(tǒng)精度，利用PID（比例-積分-微分）方法進行在線調(diào)控。PID是一種被廣泛應(yīng)用的工業(yè)控制方法，核心思想是利用負反饋的方式比較控制結(jié)果與初始狀態(tài)，對控制過程進行實時調(diào)整，直到控制結(jié)果與初始狀態(tài)的誤差趨于零為止。PID控制方法的基本原理如圖4所示。

在圖4所示的PID控制算法邏輯結(jié)構(gòu)中，輸入溫度數(shù)據(jù)與反饋得到的輸出溫度在數(shù)據(jù)運算單元中進行綜合處理，計算兩者之間的差值，得到溫度誤差數(shù)據(jù)。對溫度誤差數(shù)據(jù)經(jīng)過比例放大、積分和微分處理后，進行誤差比較和計算，直到誤差趨近于零。溫度誤差數(shù)據(jù)被反復(fù)處理，之后輸入熱處理爐，熱處理爐在溫度誤差信號的作用下輸出實際溫度，實際溫度作為反饋信號與初始溫度數(shù)據(jù)進行比較計算，實現(xiàn)在線調(diào)整和控制。反復(fù)進行該過程，直到獲得理想的實際溫度數(shù)據(jù)為止。

PID控制過程是調(diào)整比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)的動態(tài)過程。這三個系數(shù)決定了控制方法的執(zhí)行效果，具有重要意義。假設(shè)初始溫度是u（t），輸出溫度是y（t），溫度誤差被表示為e（t）=u（t）-y（t），則PID控制方法的運算過程可以表示為

式中，kp是比例系數(shù)；ki是積分系數(shù)；kd是微分系數(shù)。

在式（1）中，第一部分表示比例單元，第二部分表示積分單元，第三部分表示微分單元。對熱處理爐的系統(tǒng)精度進行控制，就是通過調(diào)整比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki和微分系數(shù)kd，使溫度誤差e（t）逐漸收斂到0，從而使輸出溫度y（t）等于預(yù)期的初始溫度u（t）。

3.2 PID溫度控制方法在熱處理爐中的部署

為了精確控制熱處理爐的系統(tǒng)精度，在熱處理爐中增加PID控制方法。具體實現(xiàn)過程：將熱電偶與紅外融合測溫技術(shù)監(jiān)測得到的溫度數(shù)據(jù)作為初始溫度數(shù)據(jù)u（t）輸入PID控制器中，PID控制器按照公式（1）進行運算，根據(jù)初始溫度數(shù)據(jù)不斷調(diào)整輸出溫度。PID控制器集成在溫度分析處理計算機中，通過向熱處理爐發(fā)布溫度控制命令調(diào)整熱處理爐的溫度。在PID控制器的作用下，熱處理爐不斷調(diào)整輸出溫度y（t），從而獲得預(yù)期的溫度分布，使金屬材料的加工性能滿足技術(shù)指標要求。

4 結(jié)束語

為了解決金屬熱處理加工過程中的溫度均勻性感知與系統(tǒng)精度控制問題，本文提出了一種熱電偶與紅外融合的溫度感知方法。利用這種方法可以對熱處理爐的工作溫度進行全方位監(jiān)測，掌握金屬材料加工的溫度數(shù)據(jù)變化情況。同時，本文利用PID控制方法對熱處理爐的系統(tǒng)精度進行控制，根據(jù)熱電偶與紅外融合的溫度感知技術(shù)監(jiān)測得到的溫度值調(diào)整熱處理爐的工作溫度，為獲得預(yù)期的金屬材料加工性能提供合適的工作環(huán)境。

參考文獻

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