一种马弗炉测量煤的挥发分的温度控制方法技术领域
本发明涉及煤的挥发分测量技术领域，更具体地，涉及一种马弗炉测量煤的挥发
分的温度控制方法。
背景技术
马弗炉是一种电加热的装置，由控温装置，控温传感器，电加热炉，温度显示部分，
外壳几部分组成。现在比较先进的马弗炉的控温装置一般由微电脑控制。使用时，只需要给
马弗炉设定目标温度，马弗炉就可以自动加热并恒定在设定的温度点。
马弗炉可以用来测量煤的灰分、挥发分和粘结指数等指标。由于温度控制难度不
大，对于灰分及粘结指数的测量，一般马弗炉生产厂家都能比较好的解决控温问题，但是，
由于煤的挥发分测试中影响因素较多，市场上至今没有发现能将温度控制得很好的产品。
煤的挥发分表征煤在隔绝空气的情况下，一定量的煤在某一温度下加热一定的时
间后失去了的质量与实验前质量的比值。挥发分是指导电厂锅炉燃煤和钢厂炼焦用煤的重
要指标。我国对于煤的挥发分测试方法采用的是《GB/T 212-2008煤的工业分析方法》。该方
法要求称量1克煤放入带有严密盖的瓷坩埚，如图1所示，盖上盖子，然后将6个坩埚放到如
图2的坩埚架上(允许有空坩埚存在)。待马弗炉的温度稳定在920℃后，打开炉门并在较短
的时间内(一般不长于6秒)将放有坩埚的坩埚架放入马弗炉炉膛内并开始计时。要求开始
计时的3分钟内炉膛温度上升到900±10℃，第3～7分钟稳定在900±10℃。如有超温则该次
实验作废。
上述的挥发分实验对温度的要求是十分苛刻的，原因有以下几点：
1、煤的挥发分是不定的，从百分之几到百分之几十不定，挥发分从坩埚中逸出后
会在炉膛内燃烧从而使炉温快速上升，不同的煤种挥发分逸出的时间不同，燃烧产生的热
量也不同，因此使炉温上升的幅度也不同。
2、不同的实验员打开炉门的时间也不同，于是炉子散失的热量也不同，从而使炉
温下降的幅度也不同。
3、不同的坩埚架质量不同，不同的环境温度及电压的变化都会影响炉温上升或者
降低的幅度不同。
温度控制指的是根据炉子的当前温度及目标温度来设定加热功率，在加热的过程
中，及时根据炉子的温度反馈来适时调速加热功率，使温度稳定在目标温度。在实际应用
中，温度控制大都采用PID控制。
工程实际中，应用最为广泛，调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控
制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可
靠、调整方便而成为工业控制主要技术之一。当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到
精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器结构和参数必须依靠经验和
现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对
象﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI
和PD控制。PID控制器就是系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。
定点恒温：控温的目标温度是一个恒定的值，不随时间的推移而变化。例如900℃
定点恒温指的就是将炉温始终控制在900℃不变。
定速升温：控温的目标温度不是一个固定的值，它随着时间的推移目标温度会增
加，增加的幅度受升温速率V的影响。例如，当前炉温为100℃，设定升温速率为10℃/分，那
么一分钟后，炉温应当达到110℃，2分钟后炉温应当达到120℃，以此类推。
现有马弗炉挥发分控温采用的是PID定点恒温控制方法。在实验前阶段，将PID定
点恒温控温方法的目标温度设置为920℃，此时采用的PID控温参数为PA；实验开始后第一
阶段，放入坩埚，仪器将目标温度设置为900℃，仪器仍然依照PID定点恒温方法使温度在3
分钟内温度稳定在900±10℃，此时采用的PID控温参数为PB；第二阶段，在第4～7分钟内仍
然采用PID定点恒温控制方法，此时采用的PID控温参数为PC，如图3所示。
上述的变参数控温方法在实验前阶段和实验后第二阶段采用不同的PID参数将炉
子温度稳定在一个恒定的温度点，是比较成熟的技术。
实验后第一阶段是一个升温的过程，虽然目标温度是900℃，但是却要求温度不能
超调。由于在挥发分测试过程中，存在前述煤的挥发分不一样，开炉门时间不一样，坩埚架
不同，供电电压波动等不确定因素，第一阶段采用PID定点恒温的控温方法是不恰当的。当
采用温度爬升比较慢的PID参数，对于挥发分比较高的煤样并且测试的煤样个数比较多时，
测量时煤中逸出的挥发分参与燃烧，燃烧产生的温度刚好可以补充因为慢PID参数导致的
温度爬升不够。该控温方式是能够满足要求的，当挥发分较小或者试样个数较少，例如只有
一个坩埚装有煤样，其他都是空坩埚，该方法在3分钟内常常不能达到890℃而导致实验作
废。反之采用温度爬升速度比较快的PID参数则会导致测试挥发分较高的煤样时温度超出
910℃。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的马弗炉测量煤的
挥发分的温度控制方法，该方法在用马弗炉测量煤的挥发分实验时，能够较好地将温度控
制在标准要求的范围内，并且该方法能够适应比较宽的电压范围和其他一些在一定范围内
的因素变化。
本发明提供一种马弗炉测量煤的挥发分的温度控制方法，该方法采用PID定点恒
温和PID变速升温结合进行温度控制。
该方法包括：
S1：对马弗炉进行加热，使炉内温度升高；该阶段需要用较大的功率加热，以使在
较短的时间内，将炉门打开放入坩埚后引起的炉温下降趋势扭转为温度上升趋势；
S2：采用PID变速升温方法将实验分为若干阶段，每个阶段均采用定速升温方法进
行加热升温；
S3：采用PID定点恒温方式控制目标温度稳定在900℃；
优选的，在所述S1之前还包括：准备测量挥发分实验，采用PID定点恒温方法设定
目标温度为920℃；打开炉门，将坩埚放入马弗炉内，进入实验阶段。
实验完成后，提示实验结束，然后进入下一轮实验准备阶段。
所述步骤S2中包括四个阶段，每个阶段的升温速度均保持恒定。
每个阶段均设有各自的预定目标温度和终止时间，目标温度和终止时间固定不
变。
在由上一阶段进入当前阶段之前，系统根据当前时间和当前实验温度，依照公式
计算本阶段的升温速率V，其中，V：当前阶段的升温速率，GoalT：当前阶
段的目标温度，Temp：当前温度，T：当前阶段的终止时间，t：当前时间。
所述步骤S2具体包括：
S2.1：根据升温速率V计算加热功率P；
S2.2：根据加热功率P进行加热；
S2.3：依次判断是否达到目标温度和终止时间；
S2.4：若未达到目标温度和终止时间，则返回S2.1；若达到目标温度且未达到终止
时间，则停止加热，直到到达终止时间；若到达目标温度和终止时间，则根据当前温度和下
一阶段目标温度计算下一阶段的升温速率V next；
然后实验进入下一阶段。
所述S1和S2的实验总时间为3分钟，所述S3的实验时间为4分钟。
本发明将挥发分测试的过程分为几个阶段，每一个阶段都有单独的目标温度和终
止时间。进入到下一个阶段前，需要根据公式计算下一阶段的升温速率V，升温速率V不是一
个定值，需要根据上一阶段结束时的实际温度依照公式1计算得到；将回温阶段至900℃定
点恒温阶段内的时间分为n个阶段，每一阶段都采用定速升温方式进行温度控制。采用本发
明的控温方式，测量煤的挥发分时，马弗炉可以适应192V～242V的电压变动；该方法能适应
0～6个坩埚的试验，对操作人员的熟练操作程度要求也大大降低。
附图说明
图1为现有挥发分测试坩埚和坩埚盖的示意图；
图2为现有挥发分测试坩埚架的示意图；
图3为现有挥发分测试控温过程的示意图；
图4为根据本发明实施例的定点恒温和变速升温相结合的控温方式的流程图；
图5为根据本发明实施例的变速升温阶段流程图；
图6为根据本发明实施例的变速升温时间--温度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施
例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在根据本申请的一个实施例中，参考图4，提供了一种马弗炉测量煤的挥发分的温
度控制方法。由于不同煤种挥发分不一样等诸多对控温产生影响的因素，本发明采用了PID
定点恒温方法和PID变速升温相结合的温度控制方法。该方法包括以下步骤：
步骤一：准备测量挥发分实验，采用PID定点恒温方法设定目标温度为920℃；
步骤二：打开炉门，将坩埚放入马弗炉内，进入实验阶段；
步骤三：对马弗炉进行加热，使炉内温度升高；该阶段需要用较大的功率加热，以
使在较短的时间内，将炉门打开放入坩埚后引起的炉温下降趋势扭转为温度上升趋势；
步骤四：采用PID变速升温方法将实验分为若干阶段，每个阶段均采用定速升温方
法进行加热升温；
步骤五：采用定点恒温方式控制目标温度稳定在900℃；
步骤六：实验完成后，提示实验结束，然后进入下一轮实验准备阶段。
其中，所述步骤四具体包括：
1)根据升温速率V计算加热功率P；
2)根据加热功率P进行加热；
3)依次判断是否达到目标温度和终止时间；
4)若未达到目标温度和终止时间，则返回1)；若达到目标温度且未达到终止时间，
则停止加热，直到到达终止时间；若到达目标温度和终止时间，则根据当前温度和下一阶段
目标温度计算下一阶段的升温速率V next；
5)进入下一阶段。
本发明将煤的常用的挥发分测试过程分为六个阶段：
第一阶段是温度回升阶段，即步骤三，该阶段需要用较大的功率加热，在较短的时
间内，将炉门打开放入坩埚后引起的炉温下降趋势扭转为温度上升趋势。
第二阶段至第五阶段为变速度升温阶段，即步骤四，在每一个阶段内部，升温速度
却是恒定的。第二阶段到第五阶段，每一阶段都有预定目标温度和终止时间，目标温度和终
止时间是固定不变的，在由上一阶段进入本阶段前，系统根据当前时间和当前实验温度，依
照公式1计算本阶段的升温速率V。
(公式1)，其中，
V：当前阶段的升温速率；
GoalT：当前阶段的目标温度；
Temp：当前温度；
T：当前阶段的终止时间；
t：当前时间。
实验开始后放入坩埚，将计时器初始值设为0，进入第一阶段。由于放入坩埚，温度
呈现下降趋势，为了扭转这种趋势，采用较大功率(如90％)加热，并且仪器时刻监视温度变
化情况，一旦发现温度出现上升的趋势，马上记录当时间和温度，如，发现在第40秒温度在
790℃时(这两个数值会随着不同的外部环境发生变化)温度呈现上升趋势。预定的第二阶
段的终止时间为120秒，目标温度为850℃(终止时间和目标温度是固定不变的)，因此，根据
公式1计算升温速率为V2＝(850-790)/(120-40)＝0.75℃/秒。仪器接着进入第二个变速升
温阶段，升温速率为V2。各阶段时间和温度及升温速率如图6所示。
在第二阶段，仪器一边依照升温速率V2进行定速升温控制，一边监测实际温度，发
现实际温度到了目标温度850℃，而时间没有到达120秒，则说明这一阶段温升过快，升温速
度过度有可能是定速升温控制超调所致，也可能是挥发分逸出后在炉膛内燃烧所致，则降
低加热功率(常常将加热功率设置为0)，等待时间到达120秒。时间到达120秒，记录当前的
实验温度，如852℃，如图5所示。仪器的第三阶段的终止时间设置为150秒，目标温度设置为
888℃(终止时间和目标温度也是固定不变的)，则第三阶段的升温速率V3＝(888-852)/
(150-120)＝0.93℃/分。接着进入第三阶段的升温。
同上述过程一样，仪器计算出下一阶段的升温速率，依次进入第三阶段、第四阶段
和第五阶段。第三阶段、第四阶段和第五阶段分别按照仪器计算出的各自的升温速率进行
升温，每一阶段都有各自特定的终止时间和目标温度。第五阶段结束后，进入第六阶段。
第六阶段采用定点恒温方式将目标温度稳定控制在900℃。7分钟实验完成后，仪
器提示实验结束，然后进入下一轮实验准备阶段。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在
本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。