Устройство для регулирования температуры

 

O n H C A H H K (li)792225

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскин

Социалистических

Республик

4В-. (61) flîïoëíèòåëüíîå к авт. свид-ву

3 (22)Заявлено 07.08.79 (21) 2808021/l8-24 (51)М. Кл. с присоединением заявки J%

5 05 J) 23/ Z 9

Государственный комитет (23) Приоритет

Опубликовано30. 12.80.. Бюллетень N. 48 по делам изобретений и открытий (53) УДК 621. .555.6(088.8) Дата опубликования описания02.01.83.

В. И. Устинов, Е. В. Горохов, Ю. B. Винокуров и В. И. Грызенков (72) Авторы изобретения (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Изобретение относится к области регулирования температуры с использованием электрических средств и может быть использовано в различных областях промышленности, в частности при автоматизации технологических процессов для под5 держания заданного уровня температуры с очень высокой степенью точности. Подобные устройства возникли в связи с повышенными требованиями к качеству

1О продукции. Их применение увеличивает выход годной продукции,.сокращает сроки изготовления продукции повышенного качества.

Широко известны устройства, в котоt5 рых поддерживается температура в пределах зоны нечувствительности. Известно устройство для автоматического регулирования температуры Я i содер жащее датчик, задатчик, блок сравнения, ключ, нуль-орган, реверсивный счетчик, форсирующее устройство, первый генератор, второй генератор, исполнительное устройство, электронегреватель.

Недостатком подобного устройства является наличие ошибки регулирования даже при стабильных внешних условиях.

Из известных устройств наиболее близкой по технической сушности является система автоматического рет улирования температуры 12).

Данное устройство имеет схему выработки двух типов сигнала, сдвигающий регистр, генератор импульсов, схему выработки импульсов в момент переходе напряжения сети через нуль, несколько схем запуска тиристоров, несколько силовых тиристорных ключей, трансформатор с несколькими отводами, схему, выра .батываюшую сигналы, соответствуюшие заданной температуре, нагреватель, схему запуска, заставляющие силовые тиристор ные ключи запускаться только при переходе напряжения сети через нуль, выключатель силового питания при перегреве.

К недостаткам устройства можно отнести наличие дополнительных составляющих ошибки в поддержании заданного

3 79 уровня температуры и сложность технического выполнения.

Целью изобретения является увеличение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры содержит блок изменения угла отсечки и последовательно соединенные второй эадатчик температуры, второй блок сравнения и блок управления углом отсечки, второй вход которого соединен с выходом первого блока сравнения и вторым входом второго блока сравнения, третий вход - с выходом генератора импульсов, а выход блока управления углом отсечки соединен с вторым входом реверсивного счетчика, выход которого связан с первым входом блока изменения угла отсечки, второй вход . которого подключен к выходу блоха синхронизации, а выходк входу блока запуска тиристоров, причем второй выход блока измерения температуры связан с третьим входом второго блока сравнения, блок управления углом отсечки содержит последовательно сое,диненные триггер и первый элемент И, выход которого связан с выходом блока, второй и третий входы первого элемента И соединены соответственно с первым и третьим входами блока, а вход триггера - с вторым входом, второй блок сравнения содержит последовательно соединенные компаратор и второй элемент И, выход которого связан с выходом блока, входы компаратора соединены с первым и третьим входами блока, с вторым входом которого связан второй вход второго элемента И, а также тем, что, с целью упрощения, блок изменения угла отсечки содержит последовательно соединенные генератор, счетчик, нуль-орган и одновибратор, выход которого связан с выходом блока, второй вход нуль-органа соединен с первым входом блока, второй вход которого связан с вторым входом счетчика.

На фнг. 3. представлено устройство для регулирования температуры; на фиг . 2 - блок управления углом отсечки; на фиг. 3. - второй блок сравнения; на фиг. 4 блок изменения угла отсечки, Устройство содержит второй блок 1 сравнения, первый блок 2 сравнения, блох 3 измерения температуры, нагреватель 4, генератор 5 импульсов, блок 6 управления углом отсечки, коммутатор 7, тиристорный ключ 8, реверсивный счетчик 9, .блок 10 изменения угла отсечки, блок 4. lсинхронизации,,блок 12 запуска

2225 4 тиристоров, первый эадатчик 13 температуры и второй задатчик 14 температуры.

Блок 6 управления углом отсечки содержит триггер l5 и первый элемент

И l6.

Блок 1 сравнения содержит компаратор l7 и второй элемент И l8.

ЗО

B устройстве для регулирования температуры используются сигналы Ж и Щ определяемые следующим образом. СигБлок 10 изменения угла отсечки содержит генератор 1.9, нуль-орган 20, счетчик 2l и одновибратор 22.

На фиг. 2. - 4 приняты следующие буквенные обозначения:

- частота генератора 5 импульсов; - частота генератора 1.9;

- последовательность импульсов, поступающих на счетный вход.

20 реверсивного счетчика 9;

1Ц вЂ” сигнал управления направлением реверсивного счетчика 9;

- потенциальные выходы реверсивного счетчика 9;

Ь вЂ” потенциальные выходы счетчика 24.;

5 т — сигнал записи фиксированного числа в реверсивный счетчик 9, сигнал о действительной температуре;

И - сигнал о заданной температуре; д< - сигнал о заданной температуре, отличающийся на зону иечувстви« тел ьности, М импульсы запуска тиристоров;

- мощные импульсы запуска тиристоров;

И1 — импульсы начальной установки числа в счетчике 2l;

4 - напряжение, поступающее на нагреватели;.

С вЂ” сигнал равенства;

Ю - сигнал о равенстве действительной и заданной температуры;

- сигнал о превышении заданной температуры на величину Ь Т;

- сигнал об аварийном перегреве;

p - напряжение силового питания, выключающееея при аварийном

50 перегреве;

Ь - сигнал установки триггера в исходное состояние при включении питания.

Устройство для регулирования температурой работает следующим образом.

5 7 нал И имеет два логических состояния, описываемые следующим выражением: (О, если tg> Г (сложение) ()

$3, если + < :т (вычитание), где - заданная температура объекта; ь-7 — действительная температура объекта.

Сигнал М/ описывается следующим выражением: 1, если 0, если t 3 Pt7.

Сигнал Ф/ используется для управления направлением сче. а реверсивного с-етчика 9. Сигнал Ж, используется для разрешения подачи на счетный вход реверсивного счетчика 9 последовательности импульсов М, определяемой соотношением;

1 ) 43 CENT = О 1 если 6з, =1 - (3)

Выражение (3) справедливо, когда первоначальная температура достигнута.

Как следует из соотношений (1) и (3) в реверсивном счетчике 9 хранится записанное число, которое складывается или вычитается с последовательностью в зависимости от соотношения действительной - и заданной температур.

В случае равенства действительной и заданной температур (Т = " ) на счетный вход реверсивного счетчика 9 импульсы не поступают, в реверсивном счетчике 9 хранится накопленное число, полученное при достижении заданной температуры. При внешних возмущениях (изменении питающих напряжений, внеш-, ных условий и т,д.) нарушается равенство температур, импульсы и поступают на счетный вход реверсивного счетчика 9, изменяя накопленное в нем число в необходимом найравлении до получения нового равновесного состояния.

92225 б нуля. Содержимое реверсивного счетчика 9 и счетчика 21 поступает на нульорган 20. В результате сравнения числа, записанного в реверсивном счетчике 9 с последовательностью чисел счетчика 23. на выходе нуль-органа 20, вырабатывается сигнал С> определяющий угсл зажигания тиристоров. Этот сигнал образуется на выходе нуль-органа 20 при равен10 стве чисел, поступающих от реверсивного счетчика 9 и счетчика 2 1.

Изменение накопленного числа в реверсивном счетчике 9 приводит к изменению угла зажигания тиристоров тиристорного

15 ключа 8.

Получению информации о фазовом перемещении угла отсечки служит блок ЗО изменения угла отсечки;(фиг.4) . Схема работает следующим образом. На счетный вход счетчика 2l поступают импульсы от генератора L9. На установочный вход счетчика 2l подаются импульсы л

Импульсы Ю формируются каждый p8G, когда амплитуда питающего напряжения сети равна нулю. Каждый импульс из последовательности.)Ъв устанавливает в счетчике 24, заранее выбранное фиксированное число, Последовательность импульсов от генератора 19 вычитается иэ фиксированного числа, записанного в счет чике 23,, уменьшая его содержимое до

Таким образом, происходит регулирование температуры объекта управления. Качество регулирования температуры зависит or выбранного диапазона частот Eg

20 генератора,з импульсов. Задача выбора

C диапазона частот Х решается в теории автоматического регулирования.

Как следует . из описания принципа

2S действия заявляемое устройство для регулирования температуры в отличие от прототипа имеет долговременное устойчивое равновесное состояние, которое достигается в системе применением блока 6 управления углом отсечки, схемы выработки сигнала о равенстве действительной и заданной температур и соогветствуюшим выбором объема счетчика 23 импульсов блока 10 изменения угла отсечки.

ЗЯ Далее будет рассмотрен вариант практического исполнения блока 6 управления углом отсечки и выработки сигнала о равенстве действительной и задан ной температур и приведены критерии вы4О бора объема счетчика 21 импульсов блока. Блок управления углом отсечки, приведенный на фиг. 2, работает следующим образом. При включении питания триггер

16 устанавливается в исходное состояние, запрещающее прохождение импульсов 1 через первый элемент И 36.

Триггер 15 устанавливается в состояние, разрешающее прохождение импульсов при t "- т, т,е. W =l. Таким обра р зом, or момента включения до момЬнта достижения заданной температуры на счетный вход реверсивного счетчика 9 не поступают импульсы с генератора 5 импульсов, а благодаря записи различных фиксированных чисел в реверсивный счетчик 9 (в функции or времени) достигается нагрев по любому заданному закону, Подобным техническим решением достигается обеспечение наиболее быстрого

792225 8 достижения заданной температуры при первоначальном включении. После достижения заданной температуры работа реверсивного счетчика 9 определяется сигналами W и К, которые определены выражениями (1) и (3) °

Ни we будет р ассмо трен а р або та устройства при подцержании заданного уров« ня темперетурь1 в случаях, когда )- -, r.е. заданная температура больше действительной; т.е. заданная температура равна действительной;

3 1, т.е. заданная температура меньше действительной.

B первом случае (YV «О, М = 1 ).

Сигна. Ю =О определяет операцию сложения. Последовательность импульсов с первого элемента И 16 поступает на счетный вход реверсивного счетчика 9.

В результате увеличения числа в ревер сивном счетчике 9 на выходе нульоргана 20 уменьшается угол отсечки импульса запуска тиристоров тиристорного .ключа 8, что приводит к увеличению напряжения, подаваемого на нагреветель 4, Таким образом, для рассмат,риваемого случая; когда (>1 - в системе создаются условия, при которых - повышается ..

Во втором случае (Nq-«1,Й - О) в реверсивном счетчике 9 хранится число, накопленное им до получения равновесного состояния. Угол отсечки включения тиристоров не изменяется, следовательно, не изменяется и напряжение, подаваемое на нагреватель 4.

Таким образом, для случая = .р в устройстве создаются условия для поддержания заданного уровня температуры.

В третьем случае (W-"l, Й"-1 ) сигнал W -l определяет операцию вычитания импульсов Й в реверсивном счетчике 9.

В результате уменьшения числа в реверсивном счетчике 9 увеличивается угол отсечки включения тиристоров тиристорного ключа 8„ что приводит к уменьшению напряжения, подаваемого .на нагреватель 4. Таким образом, для случая Ф у 1 +Т в системе создаются условия, при которых ; уменьшается..

Второй блок 1. сравнения (фиг.3) выделяет сигнал М/, описываемый выражением (2}. Выработка сигнала Oq достигается применением второго элемента И 18 и компаратора l7, порог срабатывания которого отличается or порога первого блока 2 сравнения на требуемую зону нечувствительности. Компаратор l7 вырабатывает сигнал 9, опис

ываемый следующим выражением: (. (=

Т Ъ

=О, если 6 Л: ФМ

З (4)

Как следует из описания принципа действия второго блока 1 сравнения, блока 6 управления углом отсечки в заявляемой системе обеспечено необходимое условие для получения долговременного а равновесного состояния. Однако без правильного выбора объема счетчика 2l это условие является недостаточным. Очевидно, что для получения долговременного равновесного состояния требуется выбира;ь необходимый угол отсечки для включения тиристоров тиристорного ключа 8.

Для обеспечения всего рабочего диапазона температур желательно иметь непрерывную регулировочную характеристику. В дискретных системах это может быть достигнуто высокой степенью аппроксимации непрерывной регулировочной ха» рактеристики, Степень аппроксимации в заявляемом устройстве определяется заданным объемом информации (количеством разрядов в счетчике- 2l).

Таким образом, в заявляемом устройстве для регулирования температуры обеспечены необходимые и достаточные условия для получения долговременного рав говесного состояния.

В то время как в прототипе дополнительные составляющие ошибки поддержания заданной температуры возникают изэа применения схемы выработки двухуровневого сигнала и схемы питания нагревателя ступенчатым напряжением, приводящих к отсутствию устойчивого равновесного состояния. В схеме происходит регулирование температуры даже при ог-. сутствии внешних возмущений, что приводит к появлению дополнительных составляющих ошибки поддержанчя заданной температуры.

Заявляемое устройство для регулирования температуры является менее сложным по сравнению. с прототипом.

В устройствах для регулирования температуры, использующих для управления непосредственно сигналы Ф и Vlg или Я нельзя получит" интегральный закон ре» гулирования, Для достижения этой цели в прототипе используется сдвигающий регистр, включающий поочередно тирис-. торные ключи, подающие силовое напряжение сети в виде ступень на нагреватель, при этом для получения ступенчатого напряжения используется силовой трансформатор с несколькими отводами.

9 79

В заявляемой системе эта цель достиге ется, как показано выше, иначе. Благодаря построению указанных выше схем в заявляемой системе исключен трансформатор с пятью отводами, исключены четыре схемы пуска тиристоров и четыре силовых тиристорных ключа.

В заявляемом устройстве достигается первоначальный нагрев по заданному закону благодаря записи фиксированного числа в реверсивный счетчик 9 и работе триггера 15. Это позволяет исключить применение управляемого генератора, имеющегося в прототипе.

Заявляемое устройство выполнено на интегральных элементах промышленных серий, что дает возможность освоить его выпуск в серийном производстве. формула изобретения

1. Устройство для регулирования температуры, содержащее генератор импульсов,. блок синхронизации, блок запуска тиристоров, последовательно соединенные первый задатчик температуры, первый блок сравнения и реверсивный счетчик, последовательно соединенные блок измерения температуры, коммутатор, тиристорный ключ и кагреватель, причем второй выход блока измерения температуры соединен с вторым входом первого блока сравнения, а выход блока запуска тиристоров - с вторым входом тиристорного ключа,отличающееся тем, что, с целью увеличения точности устройства, оно содержит блок изменения угла отсечки и последовательно соединенные второй задатчик температуры, второй блок сравнения и блок управления углом отсечки, второй вход которого соединен с выходом первого блока сравнения и вторым входом второго блока сравнения, третий вход — с выходом генератора им2225 10 пульсов, а выход блока управления углом отсечки соединен с вторым входом реверсивного счетчика, выход которого связан с первым входом блока изменения угла отсечки, второй вход которого подключен к выходу блока синхронизации, а выход — к входу блока запуска тиристоров, причем второй выход блока измерения .температуры связан с третьим входом второго блока сравнения.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а юш е е с я тем, что блок управления углом отсечки содержит последовательно соединенные триггер и первый элемент И, выход которого связан с выходом блока, второй и третий входы первого элемента И соединены соответственно с первым и третьим входами блока, а вход тригге» ра — с вторым входом.

3. Устройство по и. 1, о т л и ч а юm е е с я тем, что второй блок сравкекия содержит последователько соединенные компаратор и второй элемент И, выход которого связан с, выходом блока, входы компаратора соединены с первым и третьим входами блока, с вторым входом которого связан второй вход второго элемента И.

4. Устройство по и. 4, о т л и ч а ю. ш е е с я тем, ч:го, с целью упрошекия блок изменения ут ла отсечки содержит последовательно соединенные генератор, счетчик, нуль-орган и одковнбратор, выход которого связан с выходом блока, второй вход нуль-органа соединек с первым входом блока, второй вход которого связан с вторым входом счетчика.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское с виде тельс тво СССР

N 224933, кл. 0р 05 3 23/19, 1967.

2. Акцектованная заявка Великобритании % 126х63, кл. 5 3 Н опублик.. 1972 . (прототип) .

792225

Составитель С. Стрелецкий

Редактор Н. Суханова Техред Е.Гаврилешко Корректор Г. Решетник, Заказ 9432/47 Тираж 956 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

ll3035, Moczsa, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4