FI106652B - Menetelmä ja kytkentäjärjestely sähköisesti kuumennettujen laitteiden käyttölämpötilan valvontaa ja rajoittamista varten sekä tämän menetelmän käyttö - Google Patents

Description

1 106652

Menetelmä ja kytkentäjärjestely sähköisesti kuumennettujen laitteiden käyttölämpötilan valvontaa ja rajoittamista varten sekä tämän menetelmän käyttö 5 Esillä olevan keksinnön kohteena on menetelmä fysikaalis- ten/teknisten lämpökapasiteetiltaan muutettavien laitteiden käyttölämpötilojen valvomiseksi ja rajoittamiseksi, joita laitteita lämmitetään sähköisellä kuumen-timella ja valvotaan lämpötila-anturilla, jolloin lämpötilamuutosten mittaukseen käytetty määrätty lämpöenergia syötetään ennen käyttöönottoa ja testaustar-10 koituksessa käytön aikana laitteen kokonaiskäyttöaikaan nähden suhteellisen lyhyen aikajakson ajan lämmityslaitteeseen, jolloin todellinen lämpötila mitataan lämpötilan tasaantumisajan jälkeen ja energiansyöttö verkkoliitännältä irrotetaan, mikäli laitteen lämpötilan tasaantumisajan jälkeen mitattu lämpötila-muutos eroaa tavoitealuearvosta, ja kuumentimeen syötetään käyttöenergia, 15 mikäli lämpötilamuutos on tavoitealuearvon alueella ainakin yhden aikajaksoon nähden pidemmän aikajakson ajan.

Esillä olevan keksinnön kohteena on lisäksi kytkentäjärjestely fysi-kaalisten/teknisten lämpökapasiteetiltaan muutettavien laitteiden käyttölämpötilojen valvomiseksi ja rajoittamiseksi patenttivaatimuksen 1 mukaisen mene-20 telmän toteuttamiseksi, joka kytkentäjärjestely käsittää lämmitysiaitteen, jossa on lämmityssauvalla varustettu kuumennin ja mainittuun lämmityssauvaan termisesti liitetty todellisen lämpötila-arvon anturina toimiva lämpötila-anturi, lämpötilatavoitearvoja tallentavan anturin, aikaohjauksen ja verkkosyötön kytkevän releen.

: 25 Fysikaalisissa/teknisissä laitteissa, kuumennuslaitteissa, prosessitek- nisissä laitteistoissa jne. käytetään useimmiten kuumennuselementtejä, jolloin näiden elementtien käyttölämpötila usein nousee luvattomalla tavalla, kun laitteen fysikaaliset parametrit, kuten lämmönkeräyskapasiteetti, johtavuus ja/tai jäähdytys, muuttuvat.

30 Laitteen toimintaa voi myös haitata, kun kuumennuslaitteen ennalta ' *’ määrättyä pintalämpötilaa ei saavuteta.

Lämmityslaitteiden, erityisesti radiaattoreiden, yhteydessä on olemassa vaara ylikuumentumisen ja siten tulipalon suhteen, kun laitteessa on liian vähän lämmönsiirrintä, yleensä vettä.

35 Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on siten tarjota käyttöön me netelmä, joka mahdollistaa luvattoman korkeiden käyttölämpötilojen mahdolli- 2 106652 simman varhaisen havaitsemisen ja lämmityslaitteeseen tapahtuvan energian-syötön irtikytkemisen ja/tai vikailmoitusten antamisen.

Tämä tarkoitus saavutetaan siten, että anturisauva liitetään termisesti lämmityssauvaan lämmityslaitteessa, valvottava lämpötila-alue jaetaan 5 yhtä suuriin inkrementteihin ja lämpötilan tasaantumisajan aikaväli määritetään suhteessa lämpötilaväliinväliin huomattavasti pidemmälle aikavälille, erityisesti kolme tai viisi kertaa pidemmälle lämpötilavälille, jolloin lämmönsiirrin tarkistetaan aikariippuvaisen lämmön johtumisensa suhteen.

Patenttivaatimuksissa käytetyllä käsitteellä "tavoitealuearvo" tarkoi-10 tetaan arvoa, joka on sallitun käyttövälin rajojen sisäpuolella.

Tämän menetelmän toteuttamista varten tarkoitettu kytkentäjärjestely on tunnettu siitä, että tavoitearvoanturin ulostulo on ohjattu TAI-porttipiirin kautta digitaalianalogimuuntimeen, sen ulostulo on ohjattu vertailijan ensimmäiseen sisäänmenoon, vertailijan toinen sisäänmeno on liitetty todellisen ar-15 von anturin ulostuloon, vertailijan ulostulo on ohjattu edelleen toisen TAI-porttipiirin sisäänmenoon, aika/testikytkennän ohjausulostulon koskettaessa mainitun porttipiirin toista sisäänmenoa, ja porttipiirin ulostulo ohjaa verkko-syötön pois kytkevää relettä.

Epäitsenäisissä alipatenttivaatimuksissa selostetaan yksityis kohta i-20 semmin keksinnön edullisia sovellutusmuotoja ja käyttötapoja.

Patenttivaatimuksen 2 mukainen jako inkrementteihin mahdollistaa yksinkertaisen tavoitearvosyötön binäärilukujen avulla.

Tavoitealuearvon lisäämistä varten vakioarvolla tarjoaa patenttivaatimus 3 erityisen yksinkertaisen ratkaisun.

25 Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmäkulku sallii laitteen toi mintavarmuuden jaksoittaisen tarkastuksen ilman käyttökeskeytyksiä.

Ylemmän ja alemman sallitun tavoitearvon määritys voidaan suorittaa kokeellisesti patenttivaatimuksen 5 mukaisella tavalla ja liittää kiinteästi yksinkertaisella tavalla valvontatoimenpiteeseen kytkentäkynnysten välityksellä.

30 Patenttivaatimuksen 6 mukainen sallitun rajalämpötilan määritys es tää lämmityslaitteen ylikuumenemisen itse valvontamenetelmän ("Tests") yhteydessä.

Patenttivaatimuksen 8 mukainen kytkentäjärjestely mahdollistaa lisä-anturien, kuten virranrajoittimen, lämpöelementtien jne., käytön avulla käytössä 35 olevien lämpökapasiteettien tai vastaavasti lämmönjohtavuuden sekä luvatto- 3 106652 man lämmönpoiston määrityksen sisällyttämisen yksinkertaisella tavalla val-* vontatoimenpiteeseen.

Menetelmän eräässä suositeltavassa sovellutusmuodossa lämmi-tyslaitteen lämmönsiirtimen täyttömäärän valvonta tapahtuu patenttivaatimuksen 5 9 mukaisella tavalla on osoittautunut luotettavasti erityisesti ns. pyyheliinaradi- aattoreita varten (= kuumennin).

Ajasta riippuvan lämmönpoiston valvonta on erityisesti prosessitekniikan yhteydessä käytettynä merkityksellinen, kun on otettava huomioon käyt-tötilamuutokset, kuten höyryvaiheen ja/tai vuotohäviöiden ja/tai massamuutos-10 ten esiintyminen, lämmityslaitteen ohjauksen yhteydessä, katso patenttivaatimus 10. Keksinnön sovellutusmuotoja selostetaan seuraavassa oheisiin piirustuksiin viitaten, joissa kuvio 1 esittää yksinkertaistetulla tavalla pyyheliinakuumenninta varustettuna pystysuoralla kuumennuselimellä; 15 kuvio 2 esittää keksinnön mukaisella tavalla valvotun laitteen alku- käyttölämpötilan luonteenomaista kulkua; kuvio 3 esittää kytkentäjärjestelyä kuvion 1 mukaisen kuumentimen käyttölämpötilan valvontaa varten; kuvio 4 esittää kytkentäjärjestelysovellutusta lämmönsiirtimellä va-20 rustetun lisäradiaattorin käyttölämpötilan valvontaa varten; ja kuvio 5 esittää kuviossa 1 näkyvän keksinnön mukaisella tavalla valvotun kuumentimen käyttötapaa käytännössä.

Samoja toiminnallisia osia on merkitty seuraavassa samoilla viitenumeroilla.

25 Kuviossa 1 on numerolla 1 merkitty lämmityslaitetta. Tässä tapauk sessa lämmityslaitteena toimii kuumennuselin, ns. kuumennuspatruuna. Se on asetettu kuumentimen 8 alaosaan pystysuorasti keskeisen asennusmutterin 2 välityksellä. Laippaosasta 3 ulkonevat kuumennussauva 4 ja sen suuntaisesti kulkeva hieman lyhyempi anturisauva 5 lämmönsiirtimen sisään. Anturisauva 5 30 on liitetty laakerirenkaaseen 6 ja se sisältää mittauselimenä tavanomaisen kau-" * ' pallisesti saatavan lämpötilasta riippuvaisen vastuksen (PTC-vastus, Philips tyyppi KTY83).

Esillä olevassa tapauksessa lämmönsiirtimenä toimii vesi ja sen sallittua alatäyttötasoa on merkitty tunnuksella N1, ja luvatonta tasoa esimerkin ta-35 voin tunnuksella N2. Radiaalisesti ilmaan säteilevää lämpömäärää on merkitty nuolella Q.

·» 4 106652

Energia syötetään lämmityslaitteeseen verkkoliitännän 1' välityksellä seuraavassa selostettavan valvontakytkennän, kuviossa 3 tai 4 esitettyjen kytkentäjärjestelyjen, kautta.

Fysikaalisen teknisen laitteen käyttölämpötilan kulku on kuviossa 2 5 esitetyn mukainen. Abskissa-akseli toimii aika-akselina, ajan ollessa ilmaistuna sekunteina, oordinaatta-akselin näyttäessä taas lämpötilan Kelvin-asteina tai vastaavasti syötetyn lämmitystehon watteina.

Jos nyt laitteeseen syötetään energiaimpulssi ajan At, kuluessa, lämpötila koskemattomassa laitteessa, so. oikea lämpökapasiteetti ja sitä vastaava 10 huoneenlämpötilan T° = 293 °K lämmönjohtavuuskyky, nousee käyrän a1 mukaisesti, minkä jälkeen se taas laitteen lähettämän säteilyn johdosta asymptoottisesti laskee. Jos niin sanotun lämpötilan tasaantumisajan At, jälkeen syötetään kuumennusenergian lisäimpulssi Ws, niin lämpötila käyrää a2 vastaavassa mit-tauskohdassa nousee laskeakseen taas myöhemmin.

15 Jos lämmönkeräyskyky, esimerkiksi puuttuvan tai vain riittämättömän lämmönsiirtimen johdosta ei ole laskettujen sallittujen arvojen mukainen, niin syntyy käyrien b1, b2 mukainen lämpötilakulku, so. laite ylikuumenee luvattomalla tavalla.

Patenttivaatimuksien mukaisesti tätä ei tapahdu, koska ennen toista 20 energiansyöttöä lämpötila määritetään jo sallitun tavoitearvoalueen ulkopuolella olevaksi ja virransyöttö keskeytetään.

Kuvion 3 mukainen kytkentäjärjestely valvoo vaaditulla tavalla kuu-menninta lämmönsiirtimen avulla. Lämmönsiirrin voi kuvion 4 mukaisesti laajennetussa muodossaan virrata lisäksi esimerkiksi avoimen venttiilin kautta ja siten 25 todeta sangen hyvin jäähdytetyn kuumentimen olemassaolon ja signaloida siitä.

Kuvion 3 mukaisesti on napajännite K, verkon vaihtojännite, asetettu kuvion 1 mukaisen kuumennussauvan 4 kuumennuskäämitykseen. Virtapiiri on varustettu kytkimellä 9, jota ohjataan relekelan 10 avulla. Kuumennussauvaan 4 on kiinnitetty anturisauva 5 ja liitetty lisäksi termisesti, mitä on merkitty tunnuk-30 sella pth. Anturina toimii PTC-vastus, jonka vastusmuutos tosiarvoanturissa 11 muunnetaan jännitteeksi U|ST.

Tavoitearvoanturi 16 on liitetty signaalin "2" välityksellä koestusmitta-uksen inkrementoituun tavoitearvosignaaliin TAI-toiminnolla varustetun porttikyt-kennän 17 välityksellä. Porttikytkennän 17 ulostulo syötetään digitaalianalogia-35 muuntimeen 18, jonka analoginen ulostulo A on kytketty vertailulaitteen 12 si- s 106652 säänmenoon 12. Tämän vertailulaitteen 12 toiseen sisäänmenoon syötetään lämpötilan tosiarvoa vastaava jännite UIST.

Aikaohjaus 15, ns. Timer-Test T-T, ohjaa sinänsä tunnetulla tavalla jaksoittaisesti koestuksen kulkua ja syöttää ohjaussignaalinsa "6" koekytkennän 5 14 sisäänmenoon. Tämä koestuskytkentä 14 syöttää lisäksi lisäsisäänmenoon "1" jännitteen U,ST. Vertailulaitteen 12 ulostulo vaikuttaa yhtäältä koestuskytken-tään 14 ja on toisaalta liitetty lisäporttikytkennän 13 TAI-toiminnon välityksellä signaaliulostuloon "4", johon johdetaan koeimpulssi. Porttikytkennän 13 ulostulo ohjaa relekelaa 10, samoin ulostulo "5" ohjaa hätäirtikytkennän yhteydessä rele-10 kelaa 10.

Tämä suhteellisen yksinkertainen kytkentäjärjestely mahdollistaa luvattoman kuumaksi kuumennetun anturitangon 5 varman määrityksen vertaamalla PTC-vastuksen 5' määrittämää lämpötilaa odotetun tavoitelämpötilan kanssa.

15 Kuvion 3 suhteen laajennettu kuvion 4 mukainen kytkentäjärjestely sisältää lisäksi vertailulaitteen 12 kaltaisen vertailulaitteen 12'. Tämä vertailiilaite on liitetty porttikytkennän 13 lisäsisäänmenoon ja se vertaa lisäantureissa 5" mitattuja arvoja vakiosuuruisiin tavoitearvoihin Sk.

Esillä olevassa tapauksessa anturi 5" käsittää lämpöelementin, joka 20 valvoo kuumennuslaitteen veden lämpötilan annettuun minimiarvoon.

Yksinkertaisuuden vuoksi on kuvioissa 3 ja 4 esitetty vain kuumen-nussauvan 4 energiasyöttökytkentä. Vastaavalla tavalla voidaan tietenkin muodostaa vikailmoitukset ja lähettää ne sopivaan vastaanottimeen.

Kuvion 5 abskissa-akseli esittää inkrementit I, oordinaatta-akselin 25 esittäessä taas lämpötilan T Kelvin-asteina. PTC-vastuksen 5’, kuvio 3, lämpöti-laominaiskäyrä Ro on esitetty kulkevan todellisesta huoneenlämpötilasta T0 = 278 K rajalämpötilaan Tg = 343 K asti yksinkertaistetusti suoraviivaisesti. Tähän ominaiskäyrään Ru on liitetty kaksi koe-esimerkkiä. Tällöin : a1 = Lämpötilakulku lämmönsiirtimen kanssa 30 b1 = Lämpötilakulku ilman lämmönsiirrintä I = Inkrementit

Ru = Lämpötilaominaiskäyrä (PTC) t = Aika-akseli = Aikaväli, koestusenergia 35 Δί2 = Lämpötilan tasaantumisaika t3 = Käyttöaika, kuumennuslaite e 106652 ΔΤχ = Lämpötilainkrementti (vakio)

Ws = Koestusenergia

Wd = Käyttöenergia T = Absoluuttinen lämpötila 5 = Todellinen lämpötila

Ti2 = Todellinen lämpötila

Ti3 = Todellinen lämpötila

Ti4 = Todellinen lämpötila

Tg = Kuumennuslaitteen rajalämpötila 10 ΔΤί1 = Lämpötilan muutos ΔΤΪ3 = Lämpötilan muutos AJs = 1. tavoitealuearvo

Koestuksessa käytetty energia Ws voidaan erityisesti kuumen-nuseiimen anturijärjestelyn ansiosta minimoida siten, että valvottavan laitteen 15 käyttötila ei häiriinny eri lämpötilatasoilla tehtyjen jaksoittaisten koestustenkaan yhteydessä.

Keksintöä voidaan käyttää edullisesti laitteissa, joiden vakiosuuruinen lämmönjohtavuus on säädetty tarkasti turvallisuussyistä valittuun maksimiarvoon. Keksintöä voidaan käyttää kuitenkin myös säädetyissä kuumennuslait-20 teissä ja lisätä näiden laitteiden käyttövarmuutta jaksoittaisten koestusten avulla.

Claims (7)

7 106652

1. Menetelmä fysikaalisten/teknisten lämpökapasiteetiltaan muutettavien laitteiden käyttölämpötilojen valvomiseksi ja rajoittamiseksi, joita lait- 5 teitä lämmitetään sähköisellä kuumentimella (8) ja valvotaan lämpötila-anturilla (5), jolloin lämpötilamuutosten mittaukseen käytetty määrätty lämpöenergia (Ws) syötetään ennen käyttöönottoa ja testaustarkoituksessa käytön aikana laitteen kokonaiskäyttöaikaan nähden suhteellisen lyhyen aikajakson (At,) ajan lämmityslaitteeseen (1), jolloin todellinen lämpötila (Ti2) mitataan lämpötilan 10 tasaantumisajan (At2) jälkeen ja energiansyöttö verkkoliitännältä (1’) irrotetaan, mikäli laitteen (1) lämpötilan tasaantumisajan (At2) jälkeen mitattu lämpötila-muutos (ATi) eroaa tavoitealuearvosta (ATs), ja kuumentimeen (8) syötetään käyttöenergia (Wd), mikäli lämpötilamuutos (ATi) on tavoitealuearvon (ATs) alueella ainakin yhden aikajaksoon (At,) nähden pidemmän aikajakson (At3) 15 ajan, tunnettu siitä, että anturisauva (5) liitetään termisesti lämmityssau-vaan (4) lämmityslaitteessa (1), valvottava lämpötila-alue jaetaan yhtä suuriin inkrementteihin (ATx) ja lämpötilan tasaantumisajan (At2) aikaväli määritetään suhteessa lämpötilaväliin (AT,) huomattavasti pidemmälle aikavälille, erityisesti kolme tai viisi kertaa pidemmälle lämpötilavälille (AT,), jolloin lämmönsiirrin 20 tarkistetaan aikariippuvaisen lämmön johtumisensa suhteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tavoitealuearvo (ATs) lisätään uuteen arvoon (ATxs) ennen lisäaikaväliä (ΔΤ,).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 25 että tavoitealuearvo (ATs) lisätään aina vakiosuuruiselia arvolla uuteen arvoon (ATxs).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että tavoitealuearvoa (ATs, ATxs) ja todellista lämpötilaa (ATi) verrataan jaksoit- taisesti toisiinsa.

5. Minkä tahansa edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen me- ' netelmä, tunnettu siitä, että tavoitealuearvot (ATs, ATxs) toimivat valvotta van laitteen sallittujen käyttöehtojen alaisena olevan ominaiskäyräparven raja-arvoina kussakin inkrementtivaiheessa (ATx).

6. Kytkentäjärjestely fysikaalisten/teknisten lämpökapasiteetiltaan 35 muutettavien laitteiden käyttölämpötilojen valvomiseksi ja rajoittamiseksi patenttivaatimuksen 1 mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, joka kytkentäjär- 8 106652 jestely käsittää lämmityslaitteen (1), jossa on lämmityssauvalla (4) varustettu kuumennin (8) ja mainittuun lämmityssauvaan (4) termisesti liitetty todellisen lämpötila-arvon anturina toimiva lämpötila-anturi (5), lämpötilatavoitearvoja tallentavan anturin (16), aikaohjauksen (15) ja verkkosyötön kytkevän releen 5 (10, 9),tunnettu siitä, että tavoitearvoanturin (16) ulostulo on ohjattu TAI- porttipiirin (17) kautta digitaalianalogimuuntimeen (18), sen ulostulo on ohjattu vertailijan (12) ensimmäiseen sisäänmenoon, vertailijan (12) toinen sisäänmeno on liitetty todellisen arvon anturin (11) ulostuloon (UIST), vertailijan (12) ulostulo on ohjattu edelleen toisen TAI-porttipiirin (13) sisäänmenoon, ai-10 ka/testikytkennän (15, 14) ohjausulostulon koskettaessa mainitun porttipiirin (13) toista sisäänmenoa, ja porttipiirin (13) ulostulo ohjaa verkkosyötön (K) pois kytkevää relettä (10, 9).

7. Patenttivaatimuksen 7 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että TAl-porttipiiriin (13) on liitetty lisävertailijan (12') ulostulo, jolloin tämä 15 vertailija (12') vertaa vähintään yhdestä lisäanturista (5") tulevia lähtösignaaleja vakiosuuruiseen tavoitearvoon (Sk). 9 106652