SU1104480A1 - Устройство дл регулировани температуры в термостате - Google Patents

Abstract

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕРМОСТАТЕ, содержащее датчик температуры объекта, датчик температуры нагревател , потенциометр , выводы которого подсоединены к датчикам температуры, компаратор , первый вход которого соединен с задатчиком температуры, а выход с соединенными последовательно исполнительным элементом и нагревателем, отличающеес  тем, что, с целью повьш1ени  точности поддержани  температуры объекта, в него дополнительно введены суммирующий усилитель , дифференцирующа  RC-цепь, ключ, переключатель и блок задержки, причем датчик температуры объетста и подвижный контакт потенциометра через соответствующие контакты переключател  подсоединены к первому входу суммирующего усилител , датчик температуры нагревател  через дифференцирующую RC-цепь и ключ подсоединен к второму входу суммирующего усилител , выход которого подключен к второму входу компаратора, вход блока задержки соединен с датчиком температуры объекта а его выход - с управл ющими входами переключател  и ключа. 2. Устройство по п. 1, отличающеес  тем, что блок задержки содержит другие ключи, компаратор и дифференцирующую RC-цепь, а также первый и второй резистивные делители и конденсатор, причем выход блока задержки св зан с входом диф4 ференцирующей RC -цепи, св занной выходом с первым входом его компаратоСХ , с первым входом его ключа, вторым ра входом подключенного через последовательно соединенные второй резистивный делитель и конденсатор к источни-. ку питани , св занному через первый резистивный делитель с вторым входом компаратора, соединеного выходом с выходом блока.

Description

11 Изобретение относитс  к системам автоматического регулировани  температуры и может быть использовано в различных термостатах с инерционными объектами термостатировани  при повьшенных требовани х. Известно устройство дл  регулироровани  температуры, имеющее резистивный термочувствительный мост, к выходной диагонали которого подключен первый блок управлени , св занный с основным нагревателем, и форси рующий нагреватель. При этом в одно из плеч моста последовательно с основным резистором включен дополнительный резистор, параллельно которо му подключен вход второго блока управлени  1 . Известно также устройство дл  регулировани  температуры, имеющее соединенные последовательно задатчик температуры, блок управлени , исполнительный злемент с подключенным к нему основным нагревателем и форсирующий элемент с форсирующим нагревателем , а также преобразователь уровн  и сумматор, к одному из входо которого подключен датчик температуры , а к выходу - другой вход блока управлени , причем вход преобразовател  уровн  св зан с выходом форсирующего элемента 2 J. В этих устройствах врем  выхода с заданной точностью на рабочий тепловой режим сокращаетс  за счет того, что момент первого отключени  задаетс  при регулировке схемы так, чтобы он происходил при накоплении внут ри термостата количества тепла, соответствующего скорейшему выходу на режим при распределении тепла по объ ему термостата. При расположении тер модатчика вблизи термостатировани  такие схемы обеспечивают высокую точ ность поддержани  температуры объекта . Известно термостабилизирующее уст ройство, содержащее два термодатчика , размещенные соответственно на нагревателе и на объекте и включенны в смежные плечи моста, в другие смеж ные плечи которого подключены задаиощие резисторы, а во входную диагональ - источник посто нного напр жени . В нем имеютс  три компаратора два элемента И-НЕ и последовательно соединенные ключевой элемент и нагре ватель. Выход первого элемента И-НЕ соединен с входом ключевого элемента 0 быход второго - с первым входом первого элемента, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора , второй вход которого подключен к выходной диагонали моста в точке подсоединени ,термодатчика нагревател , первый вход второго элемента И-НЕ соединен с выходом второго компаратора , второй вход которого св зан с вторым входом первого компаратора, второй вход этого элемента соединен с выходом третьего компаратора, второй вход которого подключен к выходной диагонали места в точке подсоединени  термодатчика объекта. В этом устройстве устойчивость поддержани  температуры достигаетс  вследствие того, что температура нагревател  удерживаетс  в определенном (не широком ) диапазоне температур, определ емом опорными напр жени ми компараторов . Долговременна  точность поддержани  температуры объекта обеспечиваетс  тем, что на сигнал датчика объекта не вли ет сигнал датчика нагревател  З. Однако дл  повьшени  устойчивости поддержани  температуры в данном устройстве необходимо сужать диапазон температуры нагревател , что приводит к уменьшению интервала температур внешней среды, при которых устройство обеспечивает заданную точность поддержани  температуры объекта . Кроме того, в устройстве велико врем  выхода на рабочий тепловой режим . Это объ сн етс  тем, что первое отключение нагревател  происходит при достижении им верхнего значени  заданного диапазона температур, а затем это значение температуры нагревател  поддерживаетс  до момента достижени  объектом номинальной температуры . При таком построении схемы устройства его нельз  примен ть в регул торе температуры пропорционального типа. Известно устройство, в котором дл  повьщ1ени  устойчивости поддержани  температуры датчики температуры объекта и нагревател  через общую цепь соединены с исполнительной частью схемы терморегулировани . В нем момент первого выключени  нагревател  или снижени  мощности нагрева в пропорциональных нагревател х определ етс  соотношением номиналов элементов (резисторов), вход щих в цепи, в которые включены датчики температуры 4 . Однако точность поддержани  температуры в таком устройстве -снижаетс  на исполнительную часть схемы терморегулировани . Поэтому электрйческий сигнал на входе исполнительнс части неточно соответствует темпера-туре объекта термостатировани , по вл етс  погрешность поддержани  тем пературы объекта, которую нельз  учесть в услови х изменени  температуры окружающей среды ввиду непосто  ства разницы температур датчиков. Наиболее близким к предложенному по технической сущности  вл етс  уст ройстве дл  регулировани  температуры , содержащее св занный с нагревателем первый датчик температуры, включенный в одно из плеч моста, вер шина которого подключена к входу ком паратора, выход которого через регулирующий орган соединен с нагревателем , В нем имеютс  также датчик температуры, св занный с объектом, посто нный резистор и потенциометр, через который второй датчик температуры включен параллельно термочувствительному плечу моста, а посто нный резистор - параллельно смежному с ним плечу моста, при зтом подвижный контакт потенциометра соединен с вто рым входом компаратора. Известное устройство позвол ет измен ть момент первого отключени  нагревател  и TeM самым добиватьс  минимального времени выхода на рабочий тепловой режим без изменени  номиналов элементов схемы, путем регулировани  средней точки потенциометра, в случа х изменени  ,теплоемкости объекта термост тировани  или конструкции термостата 5. Однако из-за вли ни  сигнала датчика температуры нагревател  известное устройство не может обеспечивать высокую точность поддержани  темпера туры объекта. Целью изобретени   вл етс  повьше ние точности поддержани  температуры объекта термостатировани  при обеспечении высокой устойчивости поддержани  температуры объекта и минималь ного времени выхода на тепловой рабо чий режим в услови х быстромен ющихс температур окружающей среды. Поставленна  цель достигаетс  тем что в устройство, содержащее датчик температуры объекта, датчик температуры нагревател , потенциометр, выводы которого под&оединёны к датчикам температуры, компаратор, первый вход которого соединен с задатчиком темпе ратуры, а выход -.соединенными последовательно исполнительньм элементом и нагревателем, дополнительно введены суммирующий усилитель, дифференцирующа  , ключ, переключатель и блок задержки, причем датчик температуры объекта и подвижной контакт потенциометра через соответствующие контакты переключател  подсоединены к первому входу суммирующего усилител , датчик температуры нагревател  через дифф.еренцирующую RC-цепь и ключ подсоединён к второму входу суммирующего усилител , выход которого подключен к второму входу компаратора , вход блока задержки соединен с датчиком температуры объекта, а его выход - с управл ющими входами ключа и переключател , Кроме того, блок задержки содержит другие ключи, компаратор, дифференцирующую RC-цепь, а также первый и второй резистивные делители и конденсатор , причем вход блока задержки св зан с входом его дифференцирующей РС-цепи, св занной выходом с первым входом его компаратора, и с первым входом его ключа, вторым входом подключенного через последовательно соединенные второй резистивный делитель и конденсатор к источнику питани , св занному через первый резистивный делитель с вторьм входом компаратора, выходом соединенного с выходом блока. Дл  поддержани -температуры объ- екта термостатировани  ,с высокой точностью необходим сигнал, точно соответствующий температуре объекта. , Поэтому в устройство введен переключатель , который после выхода термостата на рабочий тепловой режим отключает от исполнительной части схемы . сигнал, идущий от подвижного контакта потенциометра и состо щий из сигналов датчиков температуры объекта и нагревател , и подключает сигнал только датчика температуры объекта. Дл  достижени  высокой динамиче- ской устойчивости поддержани  температуры в термостате используетс  не полный сигнал датчика температуры нагревател , а только динамическа  составл юща  этого сигнала. С целью сохранени  динамической составл ющей сигнала датчика температуры нагревател  в устройство введена дифференцирующа  RC -цепь, через которую датчик температуры на гревател  подключен к исполнительно части схемы. Ключ в этой цепи введен дл  того чтобы отсоединить дифференцирующую RC-цепь от схемы во врем  выхода те мостата на рабочий тепловой режим во избежание зат гивани  процесса. Этим обеспечиваетс  минимальное врем выхода на рабочий режим. Введение в устройство суммирующего усилител  между датчиками температуры и исполнительной частью схе мы позвол ет при наличии дифференцирующей RC -цепи вырабатывать управл ющий сигнал, равный сумме напр жеНИИ датчиков температуры объекта и динамической составл ющей сигнала датчика температуры нагревател , что обусловливает высокую точность и стабильность поддержани  температу ры объекта. Подключение цепей датчиков температуры объекта и нагревател  к разным входам суммирующего усилител  позвол ет исключить взаимное вли ние электрических цепей датчиков и упрос тить регулировку устройства. Введение в устройство задержки , вход которого подключен к да чику температуры объекта, а выход со единен с управл ющими контактами ключа и переключател , обеспечивает своевременное срабатывание переключател  и ключа после первого отключени  нагревател  и окончание переходного теплового процесса. На фиг. 1 приведена структурна  схема одного из возможных вариантов выполнени  предложенного устройства дл  регулировани  температуры термос тата; на фиг. 2 - принципиальна  схе ма блока задержки; на фиг. 3 - временные диаграммы температур нагревател  и объекта. Устройство дл  регулировани  температуры в термостате (фиг. 1) содержит датчик 1 температуры объекта, датчик 2 температуры нагревател , потенциометр 3, блок 4 задержки, диф ференцирующую цепь 5, переключатель 6, ключ 7, суммирующий усилитель 8, компаратор 9, задатчик 10 температуры , исполнительный элемент 11, нагреватель 12. Датчики 1 и 2 температуры могут быть выполнены, например, в виде включенных последовательно терморезистора и резистора, точки соединени  каждого из которых  вл ютс  выходами датчиков температуры. Свободные концы терморезисторов подключены к положительному полюсу источника питани , а свободные концы резисторов - к его отрицательному полюсу . Терморезистор датчика 1 закреплен непосредственно на объекте термостатировани , а терморезистор датчика 2на нагревателе 12 способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт с этими элементами. Нагреватель 12 служит дл  нагрева термостата и может быть выполнен в виде обмотки из провода с высоким сопротивлением, расположенной на корпусе термостата, который находитс  внутри теплоизолирующей оболочки. Терморезисторы датчиков 1 и 2 должны иметь близкие характеристики, но их полна  идентичность необ зательна . Резисторы датчиков 1 и 2 могут подбиратьс  по номиналу или быть переменными . Выход датчика 1 температуры объекта Подключен к одному выводу потенциометра 3 и далее через один из контактов переключател  (1-е положение переключател ) к первому входу суммирующего усилител  7. К второму контакту переключател  (П-е положение переключател ) подсоединен подвижный контакт потенциометра 3. Выход датчика 2 температуры нагревател  подключен к другому свободному выходу потенциометра 3 и далее к контакту ключа 7 через дифференцирующую цепь 5. Посто нна  времени дифференцирук)щей RC -цепи должна быть близка к посто нной времени переходного теплового процесса (передачи тепла внутри термостата от нагревател  к объекту термостатировани ). Потенциометр 3 определ ет долю вли ни  каждого из датчиков 1 и 2 на вход исполнительной части схемы при выходе на рабочий тепловой режим и еличину превышени  температуры нагревател  и корпуса термостата над оминальной температурой объекта ермостатировани . Переключатель 6 и ключ 7 предназнаены дл  смены режимов работы исполнительной части схемы. Переклкп1ате:и. 6 может представл ть собой реле с переключающей группой контактов, группу электронньк ключей и-т.п. В качестве ключа 7 может быть исполь зовано реле, электронный ключ и т.д. Управл ющие входы переключател  6 и ключа 7 подсоединены к выходу блока А зтравлени , вход которого подключен к выходу датчика 1 темпере туры объекта. Блок 4 задержки служит дл  получени  напр жени , подаваемого на управл ющие входы переключател  6 и ключа 7 при выходе термостата на рабочий режим после окончани  теплового переходного процесса внутри термостата . Блок задержки (фиг. 2) содержит другой компаратор 13, другой ключ 14 дифференцирующую RC-цепь 15. На один вход компаратора 13 подаетс  опорное напр жение со средней точки первого резистивного делител  16. Другой вхо компаратора 13 соединен с выходом дифференцирующей цепи 15 и с входом ключа 14. К управл ющему входу ключа 14 подсоединена средн   точка резистивного делител  17, который через конденсатор 18 подключен к источнику питани . Компаратор 13 может быть выполнен в виде обычного интегрального компаратора , например, операционного усилител  и т.п. Ключ 14 может представ л ть собой реле, электронный ключ и т.д. Входом, блока задержки (фиг. 2)  вл етс  вход дифференцирующей цепи 15, а выходом - выход компаратора 13. Дифференцирующа  цепь 5 (фиг. 1) предназначена дл  исключени  посто н ной составл ющей сигнала, поступающего на суммирующий усилитель 8 от датчика 2 температуры нагревател  (через ключ 7). Суммирующий усилитель служит дл  суммировани  сигнала датчика 1 температуры объекта и переменной состав л ющей сигнала датчика 2 температуры нагревател . В качестве суммирующег усилител  8 может быть выбран усилитель с высоким входным сопротивлени дл  исключени  взаимного вли ни  цепей , подключенных к его входам. Он может быть выполнен, например, на двух операционных усилител х по известным схемам включени . Термодатчнки датчика 1 объекта и датчика 2 нагрёвател  (фиг. 1) регулируют так, чтобы при изменении температуры, равной номинальной температуре объекта термостатировани , напр жени  на выходах датчиков 1 и 2 были равны. Дл  этого подбирают величины сопротивлений резисторов, включенных последовательно с терморезисторами . Подвижный контакт потенциометра 3 устанавливают так, чтобы напр жение на этом контакте при достижении значени , вызывающего -первое отк.шочение нагревател  12, соответствовало такому соотношению напр жений на выходах датчиков температуры (и соответственно температур объекта и нагревател ), при котором после отключени  нагревател  12 на объекте термостатировани  установилась температура, равна  номинальной (фиг. 3, точка А). Задатчик 10 температуры регулируют так, чтобы срабатывание компаратора 9 при установившемс  тепловом режиме термостата (фиг. 3, ) происходило при температуре объекта, равной номинальной. Порог срабатывани  компаратора 13 блока 4 задержки устанавливают так, чтобы сигнал на выходе блока 4 задержки по вл лс  по окончании теплового переходного процесса с термостате после первого отключени  нагревател  (фиг. 3, . После включени  устройства на управл ющем входе ключа 14 (фиг. 2) по вл етс  напр жение, открьшающее этот ключ до момента зар да конденсатора 18. Посто нна  времени цепи (18 и 17) выбрана так, что за врем  зар да конденсатора 18 конденсатор 19 цепи, 15, подключенный к выходу датчика 1 (фиг. 1), успевает зар дитьс  до напр жени  датчика 1. При этом напр жение на входе компаратора 13 оказываетс  равным нулю, т.е. меньше опорного напр жени , задаваемого цепью 15. На выходе-компаратора 13 устанавливаетс  некоторое напр жение, которое подаетс  на управл ющие входы перек. лючател  6 и ключа 7 (фиг. 1). Переключатель 6 подключает к первому входу суммирующего усилител  8 датчик 1 (1-е положение переключател ), а ключ 7 замыкаетс , подсоед1ш   к второму входу суммирующего усилител  8 выход дифференцирующей цепи 5. На выходе суммирующего усилител  8 напр жение оказываетс  меньше напр  жени  задатчика 10 и на выходе комп ратора устанавливаетс  напр жение, под действием которого исполнительный элемент 11 включает нагреватель 12. При необходимости исключени  вли  ни  начального скачка напр жени  к выходу дифференцирующей цепи 5 можн подключить разр дную цепь, подобную примененной в блоке 4 задержки (13, 18 и 17 на фиг. 2). При разогреве термостата температура нагревател  и корпуса повышаетс  быстрее, чем температура объекта термостатировани . Крива  1 (фиг.З) соответствует температуре объекта те мостатировани ; крива  2 - температуре нагревател , крива  3 отражает изменение температуры, соответствующ напр жению на подвижном контакте потенциометра 3; tp - t - врем  режима разогрева термостата; t ., - t врем  переходного теплового процесса; t t2 - врем  рабочего режима термостатировани ; Т - номинальна  температура объекта термостатировани При повышении температуры объекта по вл етс  изменение напр жени  датч ка 1. Измен юща с  во времени составл юща  этого напр жени  проходит через дифференцирующую цепь 15 (фиг и поступает на вход компаратора 13, Так как напр жение на входе компаратора 13 оказываетс  больше опорного, на выходе блока А задержки устанавли ваетс  напр жение, воздействием кото рого переключатель 6 подключает к первому входу суммирующего усилител  8 подвижной контакт потенциометра 3 (П-е положение переключател ), а ключ отсоедин ет дифференцирующую цепь 5 от второго входа суммирующего усилител  8. Напр жение на подвижном контакте потенциометра (с учетом коэффициента передачи усилител  8) меньше напр жени  задатчика 10, компаратор 9 не измен ет своего состо ни , поэтому нагреватель 12 остаетс  включенным . Нагрев термостата продолжаетс  до тех пор, пока напр жение на подвижном контакте потенциометра 3 не достигнет значени  (с учетом коэффициента передачи усилител  8) напр жени  задатчика 10, после чего на выходе, компаратора 9 устанавливаетс  напр жение, под воздействием которого исполнительный элемент 11 отключает нагреватель 12. С этого момента (фиг, 3, t) начинаетс  перераспределение температур внутри термостата без воздействи  нагревател  (фиг. 3), температура нагревател  падает (крива  2), температура объекта растет (крива  1). Скорость нарастани  температуры объекта, а соответственно и скорость измерени  напр жени  на выходе датчика 1, уменьшаетс  и в конце переходного теплового процесса становитс  близкой к нулю. В этот момент времени (фиг. 3, 1„)на выходе блока 4 задержки установитс  напр жение, под действием которого переключатель 6 подключит к первому входу суммирующего усилител  8 выход датчика 1 температуры объекта (1-е положение переключател ), а ключ 7 замкнетс , подсоедин   к второму входу суммирующего усилител  8 датчик 2 температуры нагревател  через дифференцирующую цепь 5. Если при настройке устройства положение подвижного контакта потенциометра 3 выбрано правильно, то переключение с начального режима работы (фиг. 3, на рабочий режим (фиг. 3, )пpoизoйдeт при достижении объемом термостатировани  номинальной температуры TO Начина  с момента времени tj выхода на рабочий режим на входы суммирующего усилител  8 поступают напр жение с выхода датчика 1 температуры объекта и динамическа  составл юща  напр жени  с выхода датчика 2 температуры нагревател . Если температура объекта и нагревател  не отклон ютс  от TO , напр жени  на ьйм выходах блока ч задержки, суммирующего усилител  8 и компаратора 9 не измен ютс , поэтому нагреватель остаетс  выключенным. При быстрых изменени х температуры корпуса термостата изменитс  температура нагревател  и по витс  динамическа  соатавл юща  напр жени  с выхода датчика 2 на втором входе суммирующего усилител  8, сработает исполнительна  часть .схемы и включитс  нагреватель 12. При медленных изменени х температуры термостата, вызьгаающих отклонение температурь объекта от номинальной и непривод щих к по влению динамической составл ющей напр жени  на выходе дифференцирующей цепи 5, измен етс  напр жение на выходе датчика 1 температуры объекта и соответственно на выходах суммирующего усилител  8, компаратора 9, привод щее к срабатыванию исполнительного элемента 11.

Включение (выключение) нагревател  приводит к изменению температуры нагревател  и корпуса термостата и по влению динамической составл ющей сигнала на входе суммирую;щего усилител , привод щей к отключению (включению) нагревател . Таким образом происходит постепенное (ступенчатое ) изменение температурытермостата , исключающее значительные отклонени  температуры объекта от номинальной, св занные с инерционностью процессов теплообмена.

Благодар  динамической устойчивости поддержани  температуры объекта напр жение на входе блока 4 задержки не измен етс  со скоростьюпри которой могут происходить срабатывани  блока 4 задержки и изменение положен1   переключател . 6 и ключа 7.

Использование предложенного устройства регулировани  температуры в тер1- остатах позволит повысить точность поддержани  температуры объект термостатировани  в несколько раз за счет исключени  погрешности измерени  температ5фы объекта, вносимой датчиком температуры нагребател , что предотвращаетс  актом сравнительных испытаний; Уменьшить врем  выхода на рабочий тепловой режим вследствие снижени  теплоемкости корпуса термостата без потери стабильности поддержани  температуры объекта; упростить разработку термостата за счет того, что исключаетс  необходимость расчета (или упрощаетс  расчет) теплопровод щих свойств корпуса, помещенного внутри теплоизолирующей оболочки, и выбора 1 места расположени  объекта термостатировани . В}(од

Фиг. 2 Выкод

Claims (2)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕРМОСТАТЕ, содержащее датчик температуры объекта, датчик температуры нагревателя, потенциометр, выводы которого подсоединены к датчикам температуры, компаратор, первый вход которого соединен с задатчиком температуры, а выход с соединенными последовательно исполнительным элементом и нагревателем, отличающееся тем, что, с целью повышения точности поддержания температуры объекта, в него до полнительно введены суммирующий усилитель, дифференцирующая RC-цепь, ключ, переключатель и блок задержки, причем датчик температуры объекта и подвижный контакт потенциометра через соответствующие контакты переключателя подсоединены к первому входу суммирующего усилителя, датчик температуры нагревателя через дифференцирующую RC-цепь и ключ подсоединен к второму входу суммирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу компаратора, вход блока задержки соединен с датчиком температуры объекта а его выход - с управляющими входами переключателя и ключа.

2. Устройство по π. 1, отличающееся тем, что блок задержки содержит другие ключи, компаратор и дифференцирующую RC-цепь, а также первый и второй резистивные делители и конденсатор, причем выход блока задержки связан с входом дифференцирующей PC -цепи, связанной выходом с первым входом его компаратора, с первым входом его ключа, вторым входом подключенного через последовательно соединенные второй резистивный делитель и конденсатор к источни-’· ку питания, связанному через первый резистивный делитель с вторым входом компаратора, соединеного выходом с выходом блока.

SU ,...1104480