SU840837A1 - Устройство дл регулировани температуры - Google Patents

Description

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относитс  к регулированию температуры и может быть использовано дл  обслуживани  объектов, требующих высокой точности и линейности регулировани  температурного режима в широком диапазоне по программе , например, в электрических печах сопротивлени  испытательных машин . Известны устройства дл  программного регулировани  температуры, содержащие задатчик программы, сумматор измерительный блок, регул тор, исполнительньй орган и объект регулировани с подключенным к нему датчиком температуры , образующие контур регулировани  р 3. Однако эти устройства не учитывают изме.нени  теплофизических характеристик объекта при изменении его температуры и не осуществл ют в зависимо сти от этих изменений коррекцию тепловой мощности, подводимой к нагревателю , что приводит к снижению точност и линейности регулировани , так как задатчик и регул тор настраиваютс  на вполне определенную программу без учета этих изменений и в процессе работы не перестраиваютс . Это обсто тельство не позвол ет достичь ми1шмизации ошибок и линейности регулировани , необходимых дл  достижени  требуемой точности нагревани  объекта. Выполнение этих требований Представл ет весьма сложную техничсекую задачу, сущность которой вытекает из следующих теоретических предпосылок. Известно, что дл  нагревани  объекта (исследуемые образцы металлов, сплавов и т.д.) до определенной температуры и с определенной скоростью к нему необходимо подводить вполне определенную мощность в каждый момент времени . При этом чем Bbmie температура объекта, тем больший уровень тепловой мощности должен быть подведен к нему. Это объ сн етс  тем, что теплоемкость

различных тел при нагревании не остаетс  посто нной, а измен етс  с изменением температуры.

В общем случае задачу линейного повьпиени  температуры тела во BjSeMeни , т.е. нагревани  с посто нной скоростью ., можно решить, задава  уровень подводимой к нему тепловой мощности по закону Деба  (в области низких температур) и по линейному закону с учетом посто нной Грюнайзена (в области температур выше характеристической температуры Деба )

Однако эти рассуждени  справедливы лишь в том случае, когда в данном теле не происход т переходы или структурные превращени , во времени которых наблюдаютс  аномалии теплоемкости Например, при магнитном превращении чистого железа (точка Кюри) наблюдаетс  увеличение теплоемкости, а при отпуске закаленной стали, например, стали ст.45 - понижеНие теплоемкости, что св зано с выделением тепла при фазовых превращени х

Таким образом, дл  линейного нагревани  объекта, теплоемкость которого во всем диапазоне температур не претерпевает аномалий, достаточно повышать подводимую к нему тепловую мощность синхронно с увеличением температуры по закону изменени  теплоемкости данного объекта.

Однако в случае аномалий теплоемкости ,, характер про влени  которых испытателю не всегда известен, требуетс  построение более сложных устройств регулировани , например так называемых самонастраивающихс  систем

Устройства этого класса содержат основной контур регулировани , образованный задатчиком программы, сумматором , измерительным блоком, регул тором , исполнительным органом и объектом регулировани  с датчиком обратной св зи и воздействующий на него контур самонастройки. Этот контур содержит контролирующую часть, определ ющую информацию об объекте, и логическую часть, вырабатывающую регулирующее воздействие (сигнал самонастройки ) на исполнительный орган.

Дл  задани  закона изменени  тепловой мощности, подводимой к объекту, логичска  часть контура самонастройки должна содержать вычислительное устройство , например ЭВМ, которое синхронно с повышением температуры решало

бы уравнени  Деба  и Дюлонга-Пти и устанавливало бы необходимый уровень мощности в управл емых источниках питани . Кроме того, чтобы устройство

дл  регулировани  температуры входило в рабочий режим без значительного перерегулировани  и выбросов, что особенно важно дл  точного нагревани  объектов, оно должно содержать

контур определени  начальной теплоемкости объекта при температуре, с которой начинаетс  регулирование, и установки пропорционально этой теплоемкости начального уровн  мощности.

Все это определ ет сложность построени  и конструкции устройств этого класса и ограничивает возможности их применени  дл  решени  практических научно-исследовательских задач, требующих достижени  заданной точности регулировани  при относительно простом техническом решении выполн ющих эту функцию устройства.

Следует учитывать и другие особенности самонастраивающихс  систем, в силу которых использование их в качестве точных регул торов температуры  вл етс  нежелательным. Так дл  получени  информации о необходимости

изменени  коэффициента передачи основного контура регулировани  в системе создаютс  колебани , в зависимости от которых вырабатываетс  сигнал самонастройки. Наличие таких колебаний создает нежелательные динамические нагрузки в исполнительных органах, сокращает срок службы и не позвол ет использовать подобную состему дл  решени  задач регу- .

лировани , требующих высокой линейности регулируемого параметра.

Известно устройство дл  регулировани  температуры, в котором при несложном схемном и конструктивном исполнении учитываютс  изменени  теплофизических свойств объекта, что позвол ет повысить качество процесса регулировани , вводить коррекцию программы за счет учета эффективной теплоемкости на начальном участке рабочей характеристики t2.

Недостатком устройства  вл етс  то, что учет эффективной теплоемкости проводитс  лишь на начальном участке рабочей хара1стеристики.

Наиболее близким к изорретению по технической сущности и достигаемому результату  вл етс  устройство,

содержащее задатчик программы, подключенный выходом к одному из входов блока управлени , второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на объекте регхл рОвани , соединенном с иcпQлкrfteльным органом. В состав задатчика программы включены также модул тор импульсов , а в составе блока управлени  преп0лагаетс  наличие сумматора, измерительного усилител  и регул тора. Кроме того, в устройство введен второй датчик температуры, который установлен на объекте регулировани  и соединен с модул тором задатчика программы .

Сигнал от одной термопары поступает на блок управлени , а от другойна модул тор задатчика программы. Задание программы регулировани  температуры производитс  изменением частоты импульсов генератора импульсов, при этом корреци  подводимой мощности нагревани  осуществл етс  за счет изменени  длительности импульсов в соответствии с температурой объекта. Такое решение позвол ет улучшить точность регулировани  при наличии теплопотерь Гз Недостатком этого устройства  вл етс  то, что оно не позвол ет учитывать аномалии теплоемкости объекта и корректировать в соответствии с ними подводимую мощность нагревани . Более того, в случае аномалий теплоемкости имеют место переколебани  регулируемой величины, что вытекает из сущности схемного решени  устройства

Кроме того, устройство не дает возможности определить начальную теплоем кость объекта при температуре, с которой начинаетс  регулирование,   установить соответствующий ей начальный уровень мощности нагревани  Следовательно , выход устройства на режим происхо;ц1т со значительными переколебани ми и выбросами.

Цель изобретени  - повышение точнести регулировани  путем коррекции мощности нагревани  с учетом теплофизических характеристик объекта.

1 .

Поставленна  цель достигаетс  тем,

что в устройство дл  регулировани  температуры, содержащее задатчик программы , подключенный выходом к одному из входов блока управлени , второй вход которого соединен с датчиком температуры , установленным на. объекте

iрегулировани , соединенном с исполнительным органом, введены реле времени , последовательно соединенные дифференциатор , масштабный блок коэффициентов и управл емый источник питани  , выход которого подключен к одному из входов исполнительного органа, а также последовательно соединенные источник опорного напр жени , компаратор и блок начального отсчета времени , выход которого подключен к другому входу управл емого источника питани  , второй вход - к выходу реле времени, контакты которого включены между первым выходом блока управлени  и другим входом исполнительного органа, второй выход блока управлени  соединен со входом дифференциатора и вторым входом компаратора, выход которого подключен ко входу задатчика программы, соединенного выходом со вторым входом масштабного блока коэффициентов.

Предлагаемое устройство обеспечивает плавный выход его на рабочий реж11м без переколебаний и выбросов и точное регулирование по линейному закону как в случае линейного изменени  теплофизических характеристик нагреваемого объекта, так и в случае их аномалий.

На чертеже приведена блок-схема устройства дл  регулировани  температуры , один из во-зможных вариантов выполнени  которого рассмотрен в качестве примера.

Предлагаемое устройство содержит 1 программы, в состав которого , например, вход т высокостабильный генератор, делитель частоты, усилитель мощности, цифроаналоговый преобразователь , с выхода которого снимаетс  линейно измен ющеес  напр жени программы.

Задание программы производитс  устновкой коэффициента делени  делител  частоты, который имеет два входа, один из которых подключен непосредственно к . выходувысо1 остабильного генератора, а другой  вл етс  входом задатчика программы и предназначен дл  запуска схеМы .

Задатчик Г программы подключен к. одному их входов блока 2 управлени , в состав которого входит высокочастотный регул тор температуры, содержащий измерительный усилитель 3, регул тор 4 и сумматор 5. Ко второму входу блока 2 управлени  подключен датчик 6 температуры, размещенный на объекте 7 регулировани . Исполнительный орган 8 содержит, например, блок управлени  тиристорами , подключенный к первичной обмотке силового трансформатора, вторична  обмотка которого соединена с нагревателем электропечи. К первичной обмотке силового транс форматора (первый вход исполнительного органа 8) подключен управл емый источник 9 питани , представл ющий собой, например, магнитный усилитель с элементами управлени , к одной управл ющей обмотке которого подключен блок 10 начального отсчета времени, а к другой - масштабный блок 11 коэффициентов . Блок 10 начального отсчета времени в общем случае может содержать, например, генератор тактовых импульсов со схемой запуска, счетчик импульсов с цифроаналоговым преобразова телем, операционный, усилитель и уситштель мощности. Масштабный блок 11 коэффициентов представл ет собой логическое устройство с элементами коммутации , один из входов которого соединен с выходом задатчика 1 программы . Компаратор 12 имеет два входа, один из которых подключен к источнику 13 опорного напр жени , второй к выходу измерительного усилител  3, т.е. ко второму выходу блока 2 управлени . Контакты реле 14 времени включены между регул тором (первым выходом бло ка 2 управлени ) и вторым входом исполнительного органа 8.Через контакты этого же реле 14 ко входу исполнитель ного органа 8 подключен внешний источник 15 напр жени . Выход реле 14 времени соединен со вторым входом бло ка 10 начального отсчета времени. Дифференциатор 16 подключен своим входом к измерительному усилителю 3, а выходом - к масшабному блоку Г1 коэффициентов . Рассмотрим основные этапы работы предлагаемого устройства. В исходном состо нии задатчик 1 программы заперт по второму входу де лител  частоты, и напр жение программы регулировани  на сумматор 5 не поступает . Блок 10 начального отсчета времени, управл емый источник 9 питани  , исполнительный орган 8 не ра8 7 . 8 ботают, и к объекту регулировани  не подводитс  мощность нагревани . Нагреваемый объект имеет некоторую начальную температуру и обладает соответствующей ей начальной теплоемкостью . В реле 14 времени устанавливаетс  определенна  временна  задержка, а в источнике 13 опорного напр жени  уровень выходного напр жений, соответствующий температурному интервалу , в котором производитс  определение начального уровн  мощности. Эти величины определ ютс  заранее на основании опытных данных дл  каждого исследуемого образца материала. Они учитывают теплофизические свойства и инерционность объекта и необходимы дл  того, чтобы в момент начала регулировани  подать к объекту нормированный импульс тепловой мощности, соответствующий его начальной теплоемкости , и ограничить действие этого импульса по времени, чтобы не допустить перегрева объекта. Начало цикла регулировани  определ етс  моментом поступлени  команды Пуск на реле 14 времени. Реле срабатывает, и через его нормально разомкнутые контакты на исполнительный орган 8 подаетс  нормированный по амплитуде импульс напр жени  от внешнего источника 15. Длительность импульса определ етс  временем задержки реле 14. В результате исполнительный орган 8 формирует импульс тепловой мощности, который осуществл ет начальный нагрев объекта 7 регулировани . Датчик 6 вырабатывает информацию о температуре объекта 7 в виде напр жени  посто нного тока и непрерывно подает его на сумматор 5. Сумматор 5 предназначен дл  сравнивани  величины этого напр жени  с напр жением программы, и так как задатчик программы 1 на этом этапе регулировани  не работает, то напр жение с выхода датчика 6 полностью поступает на измерительный усилитель 3 и управл ет регул тором 4, привод  его в состо ние, соответствующее температуре объекта 7. Однако на исполнительный орган 8 регул тор 4 вли ни  не оказывает, так как контур регулировани  разомкнут контактами реле 14 времени. 98 Одновременно нарастающее по мере разогрева объекта 7 напр жение с выхо да измерительного усилител  3 посту-. пает дифференциатор I6 и компаратор 12, где сравниваетс  по величинв--с опорным напр жением источни  а l3. На этом же этапе команда Пуск через реле 14 времени поступает на запуск блока 10 начального отсчета времени, который начинает формировать линейно нарастающее напр жение, посту пающее на управл емый источник 9 питани  . . Компаратор 12, сравнива  по величине опорное напр жение источника 13 инарастающее напр жение с выхода измерительного усилител  3, в момент их равенства вырабатывает сигнал, поступающий на вход делител  частоты задатчика 1 программы дл  запуска его, а также на вход блока 10 начального отсчета времени дл  его остановки. Запомненный уровень напр жени  с блока 10 начального отсчета времени подаетс  на управл емый источник 9 питани , определ   необходимый уровен начальной мощности нагревани . При этом на управл емый источник 9 питани  поступает сигнал с масштабного блока 11 коэффициентов, представл ющий собой алгебраическую сумму напр жени  программы и продифференцированного разностного сигнала с выхода измерительного усилител  3. При отсутствии аномалий теплоемкости дифференциал разностного сигнала задатчика 1 и датчика 6 обратной св зиб равен нулю и на вход управл емого источника 9 питани  с масштабного блока коэффициентов 11 поступает некорректированное напр жение программы от задатчика. К этому моменту заканчиваетс  рабочий цикл реле 14 времени, и его контакты возвращаютс  в исходное соето ние , замыка  основной контур регулировани . В дальнейшем происходит линейное регулирование температуры объекта 7 по программе, в которой участвуют элементы схемы 1,6,5,

3,4.14,8,7.

При этом уровень мощности нагревани , подводимой к объекту 7 регулировани , увеличиваетс  по мере повышени  его температуры линейно, т.е. соответствует характеру изменени  теплоемкости объекта. Ошибки регулировани  в этом случае минимальны и

КН. Кроме того, цикл регулировани  начинаетс  плавно, без выбросов и перерегулирований.

Claims (3)

1. Использование новых элементов (дифференциатора , масштабного блока коэффициентов , управл емого источника питани , блока начального отсчета времени , компаратора и репе времени), а 710 определ ютс , в основном, передаточной функцией устройства, а также наличием теплопотерь. , В случае аномалии теплоемкости объекта 7 характер нагрева объекта измен етс . При превращени х, когда крутизна характеристики теплоемкости мен ет знак с положительного на отрицательный , дифференциал рассогласовани  , таким образом напр жение программы уменьшаетс  на некоторую величину, завис щую от свойств материала . При увеличении крутизны характеристики теплоемкости дифференциал , и имеет место обратное преобразование, т.е. увеличение напр жени  програмMI I на соответствующую величину, Это положение подтверждаетс  физическим смыслом работы схемы. Так, при уменьшении теплоемкости температура объекта 7 при одной и той же подведенной к нему мощности нагревани  возрастает, что регистрируетс  датчиком 6 и измер етс  сумматором 5 и усилителем 3. Напр жение с выхода усилител  3 поступает на дифференциатор 16 и через него - на масштабный блок 11 коэффициентов где алгебраически суммируетс  с напр жением программы задатчика 1, и в результате на управ-, л емый источник 9 питани  выдаетс  напр жение меньшей величины, чем достигаетс  снижение мощности нагревани , подводимой к объекту 7 регулировани . Аналогичным образом достигаетс  положительный результат в случае увеличени  теплоемкости объекта 7. Таким образом, в предлагаемом устройстве достигаетс  высока  точность и линейность регулировани  температуры , как в случае линейного изменени  теплоемкости, так и в случае ее аномалий, так как величина подводимой к объекту мощности нагревани  измен етс  сучетом изменени  его теплоемкости, Температура объекта в этом случае нарастает линейно и в наибольшей степени соответствует программе регулировани , т.е. имеет минимальные ошибтакже сЬ зей между ними и уже йз.вестными блоками, выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как при этом уменьшаетс  составл юща  погрешности, обусловленна / величиной начального, перерегулировани  и ошибкой теплоемкости в широком диапазоне температзф дл  обширного класса объектов регулировани t В результате повышаетс  качество управлени  во всем рабочем диапазоне температур, что расшир ет сферу применени  устройства. Формула изобретени  Устройство дл  регулировани  температуры , содержащее задатчик программы , подключенный выходом к одному из входов блока управлени , второй вход которого соединен с датчиком тем пературы, установленным на объекте регулировани , соединенном с исполнительным органом, отличающ е е с   тем, что, с целью повышени точности регулировани  путем коррекции мощности нагревани  с учетом тепло шзических характеристик объекта, в устройство введены реле времени, последовательно соединенные дифференциа 8 7 тор, масштабный блок козффициентоё и управл емый источник питани , выход которого подключен к одному из входов исполнительного органа, а также последовательно соединенные источник опорHofo .напр жени , компаратор и блок начального отсчета времени, выход которого подключен к другому входу управл емого источника питани , .а втог рой вход - к выходу реле времени, контакты которого включены между первым выходом блока управлени  и другим входом исполнительного органа, второй выход блока управлени  соединен со входом дифференциатора и вторым входом компаратора, выход:которого подключен ко входу задатчика программы , соединенного выходом со вторым входом масштабного блока коэффициентов . Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.В.П.Куропаткин.. Теори  автоматического управлени . М., Высша  шко1973 , с.4-16.
2. 2.Авторское (свидетельство СССР 345473, кл. G 05 В 19/08, 1968.
3. 3. Авторское свидетельство СССР № 533920, кл. G 05 D 23/22, 1970 (прототип). .