Способ регулирования температуры

 

Изобретение относится к области электронагревательной техники и преимущественно может быть использовано для регулирования температуры с помощью резистивных нагревательных элементов с сопротивлением, зависящим от температуры прежде всего пленочных нагревательных элементов. Способ предусматривает подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока, пропускание электрического тока через нагревательный элемент, сопротивление которого зависит от температуры, формирование электрического сигнала по току, пропорционального протекающему через нагревательный элемент электрическому току, формирование электрического сигнала по напряжению, пропорционального напряжению источника электрического тока, сравнение электрического сигнала по току с электрическим сигналом по напряжению, отключение нагревательного элемента от источника электрического тока и прерывание электрического тока через нагревательный элемент на основании результата сравнения электрических сигналов по току и напряжению и последующее подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока на основании результата сравнения электрических сигналов по току и напряжению. Технический результат - повышение точности регулирования температуры. 2 з. п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электронагревательной техники и преимущественно может быть использовано для регулирования температуры с помощью резистивных нагревательных элементов с сопротивлением, зависящим от температуры прежде всего пленочных нагревательных элементов.

Известен способ регулирования температуры, реализованный в нагревательном устройстве по заявке Великобритании 2092400, 1982 и предусматривающий введение в схему управления нагревом требуемых значений конечной температуры нагревательного элемента и скорости ее изменения, считывание из запоминающего устройства значения напряжения, которое должно быть приложено к нагревательному элементу для поддержания его температуры на заданном уровне, вычисление напряжения источника питания нагревательного элемента, обеспечивающего изменение температуры нагревательного элемента с заданной скоростью до заданного конечного значения, установку вычисленного значения напряжения источника питания и пропускание через нагревательный элемент электрического тока. Данный способ обеспечивает только программное регулирование температуры, но не позволяет обеспечивать ее стабилизацию. Кроме того, способ не обеспечивает достаточной точности регулирования температуры из-за нестабильности и изменения параметров нагревательного устройства в процессе его эксплуатации, а также вследствие влияния на его работу окружающей среды.

Известны способы регулирования температуры, реализованные в пленочных нагревательных устройствах по патентам США 4423401, 1983 и 5233325, 1993, которые предполагают пропускание электрического тока по нагревательному элементу через расположенные в зоне нагрева контакты, один из которых выполнен подвижным из упруго деформируемого под воздействием температуры материала, и при достижении заданной температуры отключение нагревательного элемента от источника электрического тока путем размыкания контактов, либо шунтирование нагревательного элемента посредством замыкания контактов. Недостатком данного способа является недостаточная точность регулирования температуры, которая снижается по мере эксплуатации устройства.

Известен способ регулирования температуры, реализованный в устройстве аналогичного назначения по заявке Российской Федерации 94021288, опубликованной 27.02.96, который предусматривает размещение в зоне нагрева датчика температуры, подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока, пропускание электрического тока через нагревательный элемент, измерение температуры в зоне нагрева путем преобразования ее в электрический сигнал, усиление электрического сигнала, сравнение усиленного электрического сигнала не менее чем с одним пороговым уровнем и на основании результатов сравнения отключение или подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока.

Известен также способ регулирования температуры, который реализован в устройстве аналогичного назначения по авторскому свидетельству СССР 1786473, 1993 и предусматривает размещение в зоне нагрева датчика температуры, подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока, пропускание электрического тока через нагревательный элемент, измерение температуры в зоне нагрева путем преобразования ее в электрический сигнал, дифференцирование электрического сигнала для получения сигнала по скорости изменения температуры, формирование сигналов ошибки по температуре и скорости ее изменения путем вычитания из полученных текущих значений сигналов их программно заданных значений, суммирование сигналов ошибки по температуре и скорости ее изменения и управление изменением электрического тока через нагревательный элемент на основании полученного сигнала ошибки.

При реализации обоих указанных способов не обеспечивается эффективное регулирование температуры ввиду значительной инерционности существующих датчиков температуры. Кроме того, размещение датчика температуры в локальной области зоны нагрева не дает информации о распределении температуры в пределах зоны нагрева, в особенности в областях экстремальных значений температуры. Отмеченное существенно снижает точность регулирования температуры, в особенности в случае применения быстро нагревающихся резистивных нагревательных элементов с увеличенной поверхностью, например пленочных, максимальная температура нагрева которых достигается за достаточно короткое время, равное 1-2 мин. Поэтому инерционность датчиков температуры и невозможность измерения ими температуры на всей поверхности нагревательных элементов указанного класса может привести к локальному перегреву нагревательного элемента и его отказу.

Известны способы регулирования температуры, которые реализованы в устройствах аналогичного назначения по авторским свидетельствам СССР 1621006, 1991 и 1721842, 1992 и патенту США 4668851, 1987 и в общей для них части предусматривают размещение датчика температуры в зоне нагрева, подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока, пропускание электрического тока через нагревательный элемент, измерение температуры в зоне нагрева путем преобразования ее в электрический сигнал, формирование электрического сигнала по току, пропорционального протекающему через нагревательный элемент электрическому току, формирование управляющих сигналов отключения и подключения нагревательного элемента к источнику электрического тока на время, которое определяется либо результатом сравнения текущих значений электрических сигналов по току и температуре, либо на основании алгебраического суммирования с умножением на постоянные коэффициенты текущих и эталонных значений электрических сигналов по току и температуре, и в соответствии со сформированными управляющими сигналами коммутацию цепи между нагревательным элементом и источником электрического тока. Использование в указанных способах для регулирования температуры электрического сигнала по току, протекающему через нагревательный элемент, позволило повысить точность регулирования за счет частичного парирования такого возмущающего воздействия, как нестабильность напряжения источника электрического тока. Однако недостатки, свойственные приведенным выше известным способам и связанные с необходимостью измерения температуры в зоне нагрева датчиком температуры, сохраняют свое отрицательное влияние на точность регулирования и могут вызвать отказ нагревательного элемента из-за его локального перегрева.

Известен способ регулирования температуры, реализованный в устройстве аналогичного назначения по авт. св. СССР 620953, 1978, который предусматривает подключение нагревательного элемента с сопротивлением, зависящим от температуры, к регулируемому источнику питания, пропускание электрического тока через нагревательный элемент, формирование электрических сигналов по напряжению на нагревательном элементе и по току, протекающему через нагревательный элемент, деление электрического сигнала по напряжению на электрический сигнал по току, сравнение результата деления с заданным значением и изменение напряжения на нагревательном элементе и тока через нагревательный элемент регулируемым источником питания. В данном способе значение температуры нагревательного элемента с зависящим от температуры сопротивлением определяется не непосредственными измерениями с помощью датчика температуры, а косвенно по известной зависимости между температурой нагревательного элемента и его сопротивлением, определяемым на основании обработки сигналов по напряжению и току. Указанное обеспечивает повышение точности регулирования температуры.

Однако при реализации данного способа к нагревательному элементу прикладывается только часть напряжения электрической сети, поскольку остальная его часть падает на регулируемом источнике питания, что приводит к существенной потребляемой регулируемым источником питания мощности и снижает коэффициент полезного действия реализующего способ устройства. Кроме того, подобный регулируемый источник питания имеет сложную конструкцию, высокие стоимость, массу и габариты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению следует считать способ регулирования температуры, реализованный в системе управления для регулирования электрического нагревательного элемента в зависимости от изменений электрического сопротивления нагревательного элемента по патенту США 3546436, 1970, Н 05 В 1/02. Сущность прототипа заключается в следующем: - подключают нагревательный элемент к источнику электрического тока; - пропускают электрический ток через нагревательный элемент; - измеряют температуру в зоне нагрева путем преобразования тепловой энергии в электрический сигнал, пропорциональный температуре; - формируют электрический сигнал по току, пропорциональный протекающему через нагревательный элемент электрическому току; - сравнивают электрический сигнал по току с электрическим сигналом, пропорциональным температуре; - при превышении электрическим сигналом, пропорциональным температуре, электрического сигнала по току отключают нагревательный элемент от источника электрического тока и прерывают электрический ток через нагревательный элемент; - при превышении электрическим сигналом по току электрического сигнала, пропорционального температуре, подключают нагревательный элемент к источнику электрического тока.

Данный способ обеспечивает высокий коэффициент полезного действия реализующего его устройства, поскольку для подключения и отключения нагревательного элемента от источника электрического тока в нем используется ключевой тиристорный коммутатор.

Недостатком указанного способа регулирования температуры является недостаточная точность регулирования, что обусловлено следующими обстоятельствами.

Используемый для регулирования электрический сигнал по току, протекающему через нагревательный элемент, зависит не только от сопротивления нагревательного элемента, а значит, температуры, но и от напряжения, приложенного к нагревательному элементу. Поэтому при нестабильности напряжения питания нагревательного элемента точность регулирования температуры будет существенно снижаться. Более того в случае применения пленочного нагревательного элемента, который нагревается достаточно быстро и весьма критичен к чрезмерному увеличению напряжения питания, это может вызвать выход из строя нагревательного элемента.

Необходимость использования измерения температуры требует применения датчиков температуры, которые являются достаточно инерционными измерительными средствами и позволяют измерять температуру лишь в локальной области зоны нагрева нагревательного элемента. Это не только существенно снижает точность регулирования температуры, но и при использовании быстро нагревающегося пленочного нагревательного элемента с большой площадью нагревающей поверхности может вызвать локальный перегрев и отказ нагревательного элемента.

Целью изобретения является повышение точности регулирования температуры и повышение надежности реализующего способ устройства.

Поставленная цель достигается, согласно изобретению, тем, что предлагаемый способ регулирования температуры, включающий в соответствии с прототипом подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока, пропускание электрического тока через нагревательный элемент, формирование электрического сигнала по току, пропорционального протекающему через нагревательный элемент электрическому току, сравнение электрического сигнала по току с электрическим сигналом, отключение нагревательного элемента от источника электрического тока и прерывание электрического тока через нагревательный элемент на основании результата сравнения электрических сигналов, подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока на основании результата сравнения электрических сигналов, отличается от прототипа тем, что формируют электрический сигнал по напряжению, пропорциональный напряжению источника электрического тока, сравнение электрического сигнала по току производят с электрическим сигналом по напряжению, отключение нагревательного элемента от источника электрического тока и последующее подключение к источнику электрического тока производят на основании результата сравнения электрического сигнала по току с электрическим сигналом по напряжению.

При использовании нагревательного элемента с увеличивающимся с ростом температуры сопротивлением, то есть с положительным температурным коэффициентом сопротивления, отключение нагревательного элемента от источника электрического тока производят при превышении электрическим сигналом по напряжению электрического сигнала по току и подключение к источнику электрического тока производят при превышении электрическим сигналом по току электрического сигнала по напряжению.

При использовании нагревательного элемента с уменьшающимся с ростом температуры сопротивлением, то есть с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, отключение нагревательного элемента от источника электрического тока выполняют при превышении электрическим сигналом по току электрического сигнала по напряжению и подключение к источнику электрического тока производят при превышении электрическим сигналом по напряжению электрического сигнала по току.

Совокупность указанных отличительных признаков в известных аналогах не обнаружена.

Формирование электрического сигнала по напряжению, пропорционального напряжению источника электрического тока, сравнение указанного электрического сигнала с электрическим сигналом по току и последующее отключение нагревательного элемента от источника электрического тока и прерывание электрического тока через нагревательный элемент, а также очередное его подключение к источнику электрического тока на основании результатов сравнения позволяют не выполнять непосредственных измерений температуры в одной локальной зоне нагрева нагревательного элемента с помощью достаточно инерционного датчика температуры, а производить косвенное определение температуры нагревательного элемента на основании известной зависимости сопротивления нагревательного элемента и, следовательно, протекающего через него тока от температуры. Кроме того, использование в качестве одного из сравниваемых сигналов электрического сигнала по напряжению, пропорционального напряжению источника электрического тока, обеспечивает учет изменений напряжения питания нагревательного элемента, которые в данном случае не оказывают влияния на результаты сравнения. Отмеченное обеспечивает повышение точности регулирования температуры.

В случае использования быстро нагревающегося и выходящего из строя при перегреве пленочного нагревательного элемента повышение точности и снижение инерционности регулирования температуры приведет к своевременному отключению нагревательного элемента от источника электрического тока и поэтому к повышению надежности реализующего способ устройства.

Отмеченное свидетельствует о существенности указанных отличительных признаков.

Сущность предлагаемого способа регулирования температуры заключается в следующем: - подключают нагревательный элемент к источнику электрического тока; - пропускают электрический ток через нагревательный элемент;
- формируют электрический сигнал по току, пропорциональный протекающему через нагревательный элемент электрическому току;
- формируют электрический сигнал по напряжению, пропорциональный напряжению источника электрического тока;
- сравнивают электрический сигнал по напряжению с электрическим сигналом по току;
- отключают нагревательный элемент от источника электрического тока и в дальнейшем подключают нагревательный элемент к источнику электрического тока на основании результатов сравнения электрического сигнала по току с электрическим сигналом по напряжению.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ регулирования температуры, где 1 - источник электрического тока, 2 - нагревательный элемент, 3 - электронный ключ, 4 - датчик напряжения, 5 - датчик тока, 6, 7 - соответственно первый и второй аналого-цифровые преобразователи, 8, 9 - соответственно первый и второй блоки интегрирования, 10 - блок сравнения, 11 - блок синхронизации, 12 - дизъюнктор и 13 - инвертор. На фиг. 2 показаны графики зависимости электрического сигнала U^I по току и электрического сигнала U^U по напряжению от температуры Т нагревательного элемента с положительным температурным коэффициентом сопротивления, а на фиг. 3 приведены зависимости изменения температуры Т нагревательного элемента и действующего значения U напряжения источника электрического тока, прикладываемого к нагревательному элементу, от времени t, которые поясняют работу данного устройства.

В устройстве, реализующем предлагаемый способ регулирования температуры, последовательно соединены источник 1 электрического тока, электронный ключ 3, датчик 5 тока и нагревательный элемент 2. В устройстве последовательно соединены датчик 4 напряжения, первый аналого-цифровой преобразователь 6, первый блок 8 интегрирования, блок 10 сравнения, инвертор 13 и дизъюнктор 12, выход которого подключен к управляющему входу электронного ключа 3. Выход датчика 5 тока через последовательно соединенные второй аналого-цифровой преобразователь 7 и второй блок 9 интегрирования подключен ко второму входу блока 10 сравнения. Выход источника 1 электрического тока соединен со входом датчика 4 напряжения, выход которого подключен ко входу блока 11 синхронизации. Первый выход блока 11 синхронизации подключен ко входам синхронизации первого 6 и второго 7 аналого-цифровых преобразователей, второй выход - ко входам синхронизации первого 8 и второго 9 блоков интегрирования, третий выход - ко входу синхронизации блока 10 сравнения, а четвертый выход - ко второму входу дизъюнктора 12.

В качестве источника 1 электрического тока может использоваться, например, электрическая сеть переменного тока с действующим значением напряжения 220 В и частотой 50 Гц. Электронный ключ 3 может быть выполнен с использованием тринисторов или симисторов. Датчиком 5 тока может служить резистор с малым сопротивлением или трансформатор тока. Датчик 4 напряжения может представлять собой резисторный делитель напряжения с регулированием коэффициента деления с помощью потенциометра. Задание требуемого значения температуры нагревательного элемента 2 может осуществляться путем установки соответствующего выходного напряжения датчика 4 напряжения посредством изменения потенциометром делителя напряжения коэффициента его деления. Контроль за заданием требуемого значения температуры нагревательного элемента 2 может осуществляться по положению движка потенциометра датчика 4 напряжения относительно шкалы, проградуированной в значениях задаваемой температуры на основании известной зависимости между температурой нагревательного элемента 2 и его сопротивлением с учетом коэффициента передачи датчика 5 тока.

При использовании нагревательного элемента 2 с сопротивлением, возрастающим с увеличением температуры, т. е. с положительным температурным коэффициентом сопротивления, устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

Пользователь устройства с помощью потенциометра делителя напряжения, которым снабжен датчик 4 напряжения, изменяет его коэффициент деления и выставляет необходимую заданную температуру Т₁ путем установки соответствующего выходного напряжения с действующим значением U₁ ^U датчика 4 напряжения, являющегося сигналом по напряжению (см. фиг. 2,3). Контроль устанавливаемого действующего значения напряжения U₁ ^U и, следовательно, заданной температуры T₁ производится на основании положения движка потенциометра, которым снабжен датчик 4 напряжения, относительно шкалы, проградуированной в значениях температуры.

При включении устройства сигнал на выходе блока 10 сравнения отсутствует, а на выходах инвертора 13 и дизъюнктора 12 действуют сигналы, поэтому электронный ключ 3 открыт сигналом с выхода дизъюнктора 12. Через открытый электронный ключ 3 и датчик 5 тока напряжение U (см. фиг. 3) источника 1 электрического тока прикладывается к нагревательному элементу 2, по указанной цепи течет электрический ток и температура (кривая Т на фиг. 3) нагревательного элемента 2 на интервале времени от 0 до t₁ увеличивается. Синусоидальное напряжение источника 1 электрического тока после уменьшения делителем напряжения датчика 4 напряжения до напряжения с действующим значением ₁ ^U поступает на блок 11 синхронизации, который определяет моменты времени, в которые мгновенное значение синусоидального напряжения равно нулю. Блок 11 синхронизации синхронизирует работу других блоков устройства относительно указанных моментов времени.

Мгновенные значения синусоидального напряжения с датчика 4 напряжения с заданной дискретностью, определяемой блоком 11 синхронизации, преобразуются в цифровые коды первым аналого-цифровым преобразователем 6. Указанные цифровые коды суммируются с учетом времени, то есть интегрируются первым блоком 8 интегрирования, например, в течение интервала времени, равного половине периода синусоидального напряжения источника 1 электрического тока, что обеспечивается синхронизирующими сигналами с блока 11 синхронизации. В результате с первого блока 8 интегрирования на первый вход блока 10 сравнения поступает цифровой код, соответствующий действующему значению U₁ ^U выходного напряжения датчика 4 напряжения.

Протекающий через датчик 5 тока электрический ток приводит к возникновению на его выходе синусоидального напряжения, мгновенное значение которого пропорционально току через нагревательный элемент 2, а ток через нагревательный элемент 2 обратно пропорционален его сопротивлению, которое увеличивается по мере увеличения температуры нагревательного элемента 2. Мгновенное значение синусоидального напряжения с датчика 5 тока преобразуется с заданной дискретностью вторым аналого-цифровым преобразователем 7 в цифровые коды, которые затем суммируются, например, в течение половины периода синусоидального напряжения, то есть интегрируются вторым блоком 9 интегрирования. При этом работу второго аналого-цифрового преобразователя 7 и второго блока 9 интегрирования синхронизирует блок 11 синхронизации. В результате с выхода второго блока 9 интегрирования на второй вход блока 10 сравнения поступает цифровой код, который соответствует действующему значению U^I синусоидального напряжения с выхода датчика 5 тока и, следовательно, действующему значению синусоидального тока через нагревательный элемент 2. При этом из-за роста температуры сопротивление нагревательного элемента 2 возрастает, а ток через нагревательный элемент 2 и напряжение U^I с датчика 5 тока уменьшаются (см. фиг. 2).

Пока текущая температура Т нагревательного элемента 2 меньше заданной температуры T₁, электрический сигнал U^I по току превышает электрический сигнал U₁ ^U по напряжению и поэтому сигнал на выходе блока 10 сравнения отсутствует (см. фиг. 2), а на выходах инвертора 13 и дизъюнктора 12 действуют сигналы, поэтому электронный ключ 3 остается открытым. Когда возрастающая текущая температура Т превысит заданную температуру T₁ в момент времени t₁ (см. фиг. 3), уменьшающийся с ростом температуры электрический сигнал U^I по току станет меньше электрического сигнала U₁ ^U по напряжению (фиг. 2), на выходе блока 10 сравнения возникнет сигнал, а на выходах инвертора 13 и дизъюнктора 12 сигналы исчезнут, что приведет к закрытию электронного ключа 3. Электронный ключ 3 отключает датчик 5 тока и нагревательный элемент 2 от источника 1 электрического тока, напряжение U на нагревательном элементе 2 в момент времени t₁ исчезает, ток через него прекратится, он станет остывать, а его температура будет уменьшаться на интервале времени от ₁ до t₂ (фиг. 3).

Для опроса и получения информации о текущей температуре нагревательного элемента 2 при закрытом состоянии электронного ключа 3 на интервале времени от t₁ до t₂ блок 11 синхронизации периодически с заданной дискретностью, например через 1 секунду, в момент времени, когда мгновенное значение синусоидального напряжения источника 1 электрического тока и следовательно напряжения на выходе датчика 4 напряжения равно нулю, своим сигналом с четвертого выхода через дизъюнктор 12 открывает электронный ключ 3 на короткий интервал времени, например равный половине периода синусоидального напряжения. Напряжение источника 1 электрического тока через открытый электронный ключ 3 и датчик 5 тока кратковременно подается на нагревательный элемент 2 (см. фиг. 3) и по указанной цепи потечет электрический ток. Подобно тому, как это было описано выше, электрические сигналы по напряжению и току формируются и преобразуются соответственно датчиком 4 напряжения, первым аналого-цифровым преобразователем 6, первым блоком 8 интегрирования и датчиком 5 тока, вторым аналого-цифровым преобразователем 7, вторым блоком 9 интегрирования. Если при сравнении в блоке 10 сравнения сигнал U^U1 по напряжению окажется больше сигнала U^I по току, что означает, что температура Т нагревательного элемента 2 осталась выше заданной температуры T₁, сигнал на выходе блока 10 сравнения сохраняется и инвертор 13 не сформирует сигнала для открывания через дизъюнктор 12 электронного ключа 3. Подаваемый через дизъюнктор 12 на электронный ключ 3 с четвертого выхода блока 11 синхронизации сигнал закончится и электронный ключ 3 закроется, вновь отключая нагревательный элемент 2 и датчик 5 тока от источника 1 электрического тока.

Когда температура нагревательного элемента 2 из-за его остывания уменьшится до значения, меньшего заданной температуры T₁, в момент времени t₂ при очередном открывании электронного ключа 3 поступающим через дизъюнктор 12 сигналом с четвертого выхода блока 11 синхронизации сигнал U^I по току при сравнении в блоке 10 сравнения окажется больше сигнала U₁ ^U по напряжению. Поэтому на выходе блока 10 сравнения сигнал исчезнет, а на выходе инвертора 13 возникнет сигнал, который через дизъюнктор 12 удержит в открытом состоянии электронный ключ 3, хотя открывший его и поступавший через дизъюнктор 12 сигнал с четвертого выхода блока 11 синхронизации закончится. Электронный ключ 3 будет находиться в открытом состоянии на интервале времени от t₂ до t₃, через него и датчик 5 тока напряжение U источника 1 электрического тока будет подаваться на нагревательный элемент 2 (см. фиг. 3), через него будет протекать электрический ток, а его температура будет возрастать.

Аналогично описанному выше в момент времени t₃ (фиг. 3), когда температура нагревательного элемента 2 вновь превысит заданную температуру T₁, уменьшающийся с ростом температуры сигнал U^I по току станет меньше сигнала U₁ ^U по напряжению (фиг. 2), на выходе блока 10 сравнения возникнет сигнал, а на выходах инвертора 13 и дизъюнктора 12 сигналы исчезнут, что приведет к закрытию электронного ключа 3. Вновь ток через нагревательный элемент 2 прекратится, он будет остывать на интервале времени от t₃ до t₅, температура его будет понижаться (фиг. 3). Аналогично уже описанному для опроса и получения информации о текущей температуре нагревательного элемента 2 по сигналам с четвертого выхода блока 11 синхронизации через дизъюнктор 12 будут периодически с заданной дискретностью открываться электронный ключ 3 и сравниваться сформированные сигналы по напряжению U₁ ^U и току U^I блоком 10 сравнения.

Если в момент времени t₄ (см. фиг. 3) возникла необходимость изменить заданную температуру до значения T₂, например, превышающего значение T₁, пользователь устройства должен уменьшить напряжение на выходе датчика 4 напряжения входящим в его состав потенциометром до значения U₂ ^U, проконтролировав устанавливаемое заданное значение температуры Т₂ по положению движка потенциометра, которым снабжен датчик 4 напряжения, относительно шкалы, проградуированной в значениях температуры. При очередном кратковременном открытии электронного ключа 3 для опроса в момент времени t₅ (см. фиг. 3) уменьшенный до значения U₂ ^U электрический сигнал по напряжению станет меньше электрического сигнала U^I по току, поэтому в результате сравнения данных электрических сигналов на выходе блока 10 сравнения сигнал исчезнет, а на выходе инвертора 13 возникнет сигнал, которым через дизъюнктор 12 откроется электронный ключ 3. Через открытый электронный ключ 3, датчик 5 тока и нагревательный элемент 2 потечет электрический ток, нагревая последний до новой заданной температуры Т₂ на интервале времени от t₅ до t₆.

В момент времени t₆, когда текущая температура нагревательного элемента 2 превысит заданное значение Т₂, электрический сигнал U₂ ^U по напряжению превысит электрический сигнал U^I по току, на выходе блока 10 сравнения возникнет сигнал, а на выходах инвертора 13 и дизъюнктора 12 сигналы исчезнут, электронный ключ 3 закроется, прерывая электрический ток через нагревательный элемент 2. Нагревательный элемент 2 будет остывать, а его температура понижаться.

Далее устройство будет работать аналогичным образом, поддерживая температуру нагревательного элемента 2 вблизи заданного значения T₂.

При использовании нагревательного элемента 2 с сопротивлением, уменьшающимся с ростом температуры, то есть с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, отличия в работе устройства заключаются в том, что коммутация электронного ключа 3 производится в соответствии с противоположными результатами сравнения электрических сигналов. Электронный ключ 3 должен закрываться, когда электрический сигнал U^U по напряжению становится меньше электрического сигнала U^I по току, и открываться, когда электрический сигнал U^U по напряжению оказывается больше электрического сигнала U^I по току.

Стабилизация текущего значения температуры вблизи заданного значения, например Т₂, при изменении напряжения источника 1 электрического тока происходит в данном устройстве по следующим обстоятельствам. Если напряжение источника 1 электрического тока, например, уменьшилось, то это приведет к пропорциональному уменьшению электрического сигнала U₂ ^U по напряжению и электрического сигнала U^I по току. Следовательно, кривые U₂ ^U и U^I на фиг. 2 сместятся вниз параллельно самим себе, например, как это показано штриховыми линиями, но их точка пересечения по-прежнему будет соответствовать заданному значению температуры Т₂. Указанное означает, что изменение напряжения источника 1 электрического тока не приведет к изменению результатов сравнения электрических сигналов по току и напряжению в блоке 10 сравнения и, значит, к изменению условий коммутации электронным ключом 3 цепи между нагревательным элементом 2 и источником 1 электрического тока, а следовательно, не вызовет изменений регулируемой температуры.

Заявителем были изготовлены и испытаны опытные образцы устройств, реализующих предлагаемый способ регулирования температуры. В качестве нагревательного элемента 2 использовались пленочные нагревательные элементы на основе резистивных паст из борида никеля с температурным коэффициентом сопротивления, равным +0,05% на градус, и из борида молибдена с температурным коэффициентом сопротивления, равным -0,05% на градус. Первый 6 и второй 7 аналого-цифровые преобразователи, первый 8 и второй 9 блоки интегрирования, блок 10 сравнения, блок 11 синхронизации, дизъюнктор 12 и инвертор 13 реализованы с использованием восьмиразрядного микропроцессора PIC 17. Электронный ключ 3 выполнен на симисторе.

Испытания показали, что при заданной температуре, составляющей +700^oС, отклонение текущей температуры нагревательного элемента от заданного значения не превышает 7^oС, то есть не более 1%. Колебания действующего значения напряжения электрической сети, использованной в качестве источника электрического тока, в пределах 180-260 В при указанной заданной температуре вызывали отклонение текущей температуры нагревательного элемента от заданной не более чем на 5^oС.

Опытные образцы устройств, реализующих предлагаемый способ регулирования температуры, показали их способность устойчиво работать и в случае изменения напряжения питания в достаточно широких пределах. Так, при использовании нагревательного элемента, имеющего при температуре 20^oС сопротивление 30 Ом, положительный температурный коэффициент сопротивления и максимальную температуру нагрева 625^oС, отклонение текущей температуры от заданного значения 500^oС не превышало 10^oС, т. е. 2%, при изменении напряжения питания в очень широких пределах от 120 до 220 В.

Таким образом, применение предлагаемого способа регулирования температуры позволит существенно повысить точность регулирования температуры вследствие учета нестабильности напряжения источника электрического тока, а также выполнения косвенного определения температуры нагревательного элемента без использования достаточно инерционных датчиков температуры. Кроме того, в случае использования пленочных нагревательных элементов, которые нагреваются до максимальной температуры достаточно быстро и при этом весьма чувствительны к локальным перегревам, повышение точности регулирования температуры и исключение из состава реализующего способ устройства инерционного датчика температуры обеспечивает повышение надежности указанного устройства.

Формула изобретения

1. Способ регулирования температуры, включающий подключение нагревательного элемента к источнику электрического тока, пропускание электрического тока через нагревательный элемент, сопротивление которого зависит от температуры, формирование напряжения, пропорционального протекающему через нагревательный элемент электрическому току, отключение нагревательного элемента от источника электрического тока и его последующее подключение, отличающийся тем, что формируют напряжение, пропорциональное напряжению источника электрического тока, сравнивают его с напряжением, пропорциональным протекающему через нагревательный элемент электрическому току, а отключение нагревательного элемента от источника электрического тока и последующее подключение к источнику электрического тока производят на основании результатов сравнения.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагревательный элемент с увеличивающимся с ростом температуры сопротивлением отключают от источника электрического тока при превышении напряжением, пропорциональным напряжению источника электрического тока, напряжения, пропорционального протекающему через нагревательный элемент электрическому току, и подключают к источнику электрического тока при превышении напряжением, пропорциональным протекающему через нагревательный элемент электрическому току, напряжения, пропорционального напряжению источника электрического тока.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что нагревательный элемент с уменьшающимся с ростом температуры сопротивлением отключают от источника электрического тока при превышении напряжением, пропорциональным протекающему через нагревательный элемент электрическому току, напряжения, пропорционального напряжению источника электрического тока, и подключают к источнику электрического тока при превышении напряжением, пропорциональным напряжению источника электрического тока, напряжения, пропорционального протекающему через нагревательный элемент электрическому току.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3