Устройство для регулирования температуры

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ (6 ) Дополнительное к ввт. саид-ву— (22) Заявлено 280479 (2г) 2759824/18-24

)(„з

Cq 05 D 23/24 с присоединением заявки Ио (23) Ггриоритег—

Государетвеииый комитет

СССР ио дмам изобретеиий и открытий

Опубликовано 150281. Бголлетвиь Йо б (53) УДК621. 555. б (088.8) Дата опубликования описания 17.0281 (72) Автор изобретения

lO. И. Осипов

Кировский йолитехнический институт (71) Заявитель (54 ) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к технике измерения и регулирования температуры

Известно аналоговое устройство регулирования температуры, состоящее из термодатчика, задающего блока, блока регулирования, блока тиристоров. Температура объекта, управляемая таким устройством, определяется величиной электрического напряжения, снимаемого с задающего блока. Это напряжение сравнивается с термо-ЭДС датчика температуры, определяемой текущей температурой объекта, и при помощи блока регулирования и блока тиристоров, управляеьых разностью термоЭДС и напряжения с задающего устройства, к нагревателю объекта.подводится такая величина электрической мощности, при которой величина термо-ЭДС становится равна напряжению с задающего устройства 1) .

Недостатком такого устройства является трудность использования в автоматизированном производстве, так как задающий блок является аналоговым узлом, управление которым, например при помощи управляющей ЦВИ, требует введения преобразователей код-аналог и соответствукхцих согласующих блоков. Кроме того, аналоговым устройствам присуща ограниченная точность во времени из-эа старения элементов. Такие устройства чаще всего используют в виде цифровых устройств.

Наиболее б!ггизким к предлагаемому является электронный термостат с цифровым управлением, предназначенным для поддержания температуры объекта на заданном уровне, состоящий иэ датчика температуры„ блока преобразования значения температуры объекта в цифровой код, включающий в себя преобразователь температуры в частоту

15 и цифровой счетчик, цифровое задающее устройство, цифровой,компаратор! блок изменения температуры объекта, где выход датчика температуры через блок преобразования значения темпе20 ратуры объекта соединен с первым входом цифрового компаратора, ко второму входу которого подключен выход цифрового задающего устройства, а выход цифрового компаратора подключен к входу блока изменения температуры объекта.

Устройство работает следующим образом.

Текущее значение температуры объекта измеряется датчиком температу805274

Время, (t) ч

500 1000 2000 4000 6000 8000 1СС .;

Температура (т), ©С 100

5,0 9,0 15,0

7,0 12,0 18,0

11,0 17,0 23,0

15 0 23,0 30,0

20,0 29,0 38,0

28,0 39,0 48,0

37 0 50,0 59,0

50,0 62,0 72,0 до 600

800

3,0, 4 5

7,0

10,0

18i0

21,0

26,0

34,0

42,0

53,0

20,0

23,0

29,0

37,0

22,0

26,0

32,0

24,0

27,0

1200

34,0

41,0

44,0

1400 15,0

1600 22,0

47,0

59,0

52,0

56,0

64,0

69,0

2000

30,0

40,0

65,0

80,0

72,0

88,0

77,0

83,0

100,0

94,0 ры, сигнал с которого преобразуется блоком преобразования в цифровой код и подается на первый вход цифрового компаратора, где сравнивается с заданным значением температуры объекта, подаваемым на второй вход компа« ратора с задающего блока. С выхода компаратора снимается разность входных цифровых сигналов, которая подается на вход блока изменения температуры объекта, который в зависимости от знака разности увеличивает или уменьшает температуру объекта (2), Недостатком данного устройства является уменьшение точности регули-. рования в процессе эксплуатации, определяющейся в основном стабильностью градуировочиой характеристики датчика, снятой до установки его на объект (Тгр ) ® где Т р- значение температур градуировки.

I значение сигнала с датчика при соответствующем значении Т р

Как видно из таблицы, погрешность измерения температуры термопарой, определяемая изменением градуировочной характеристики от начальной, может иметь значительную величинпу.

Например, при температуре 2000 С уже через 100 ч работы погрешность составляет 40 С.

Цель изобретения — повышение точности регулирования в процессе эксплуатации устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные задающий блок, цифровой компаратор и исполнительный элемент, а также последовательно соединенные датчик и цифровой преобразователь, введены таймер, первый запоминающий элемент, последовательно соединенные элемент задержки, блок усреднения, первый функциональный преобразователь, второй запоминающий элемент и сумматор, а также последовательно

В соответствии с этой характеристикой определяется текущее (измеряемое) значение температуры объекта.

Градуировочные характеристики реальных датчиков(термосопротивлений, термопар и др.) меняются во времени в зависимости от температур эксплуатации (нзмеряемчх температур}. Особенно эти отклонения велики при регулировании высокотемпературных объек1О тов, например в технологии производства полупроводниковых элементов, где предъявляются высокие требования к точности регулирования, в частности, при производстве тонкопленочных элементов, где температура должна уста15 навливатьс; про цента. Но в процесса эксплуатации градуировочная характеристика датчика может изменяться на несколько процентов. ф В таблице представлено изменение градуировочной характеристики от начальной для термопары типа ВР 5/20, широко применяющейся для работы в высокотемпературных объектах в завиg5,симостн от времени эксплуатации и температур, при которых они работают. соединенные блок памяти, второй функциональный преобразователь и третий

45 запоминающий элемент, выход которого подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, третий вход которого соединен с выходом блока памяти, а четвертый вход5й с выходом таймера, связанным со вторым входом блока усреднения и вторым входом второго функционального преобразователя, третий и четвертый входы которого подключены соответ55 ственно к выходу блока усреднения и выходу первого запоминающего элемента, входом связанного с выходом первого функционального преобразователя, причем вход сумматора подключен к выходу цифрового преобразоваФО теля, а выход — ко входам цифрового компаратора, элемента задержки и блока усреднения.

На чертеже представлена блок-схема

65 предлагаемого устройства.

805274

Определение поправки ьТ1 осущест-,45 вляется следующим образом.

Таймер 12 вырабатывает значение отрезков времени ЬТ, которые подают55

Устройство регулирования температуры содержит задающий блок 1, цифровой компаратор 2, исполнительный элемент 3, датчик 4, цифровой преобразователь 5, сумматор б, элемент 7 задержки, блок 8 усреднения, первый функциональный преобразователь 9, первый запоминающий элемент 10, второй функциональный преобразователь

11, таймер 12, блок 13 памяти, второй и третий запоминающие элементы 14 и

15.

Устройство работает следующим образом.

Текущее значение. температуры объекта Тj измеряется датчиком 4, преобразуется в цифровой код Т преобразователем 5 и подается на первый вход сумматора б. Ввиду наличия погрешности из-за изменения градуировочной характеристики от начальной

Т = Т4-ьт . (2) где Т; — истинное значение температуры объекта;

4T) — текущая величина отклонения градуировочной характеристи- . ки от начальной.

На второй вход сумматора б подается поправка

AT<ьт + 8, {3) где Юа(ьт — погрешность определения

ЬТ1, которая определяет-ся точностью блоков 7-13 °

На выходе сумматора 6 образуется значение т =т; -ьт;+ьт +Ь=Т1 Е (4) Ñ выхода сумматора 6 значение Т подается на компаратор 2, а на второй вход компаратора подается значение заданной температуры объекта Т .рдс блока 1. Компаратор 2 сравнивает эти значения и вырабатывает управляющее воздействие E на вход элемента 3, который в зависимости от величины и знака Е увеличивает или уменьшает температуру объекта таким образом, чтобы величина Е была минимальной. ся на входы блока 8 усреднения первого функционального преобразователя

9 и второго функционального преобразователя 11. Значение измеренной температуры объекта Т(с выхода сумматора б подается на первый вход блока 8 усреднения, на второй вход которого подается Т1 через схему задержки на ьТ1, зНачеыие иЗМерЕННОЙ температуры в предыдущий момент времени — T . На выходе блока 8 усред-, нения формируется среднее значение температуры объекта T t за промежуток времени ьTi. т„д (5)

Это аначенне подается на аноде Функциональных преобразователей 9 и 11, t0 !

40 куда также подается статическая характеристика для данного типа датчика из блока 13 памяти. ьт=t(т), (6) где ьТ вЂ” отклонение градуировочной характеристики датчика от начальной; время работы датчика от начала установки.

Т вЂ” температура, при которой работает датчик.

Эта характеристика может быть получена интерполяцией табличных значений, определяемых при испытании серии датчиков данного типа, например термопар, термосопротивлений.

Функциональный преобразователь 9 определяет величину отклонения градуировочной характеристнкиьт1 за промежуток ьс1 по формуле (б) ьт; =t(t; т, ; ), (7) где t - -относительное время старения. (износа) датчика, определяемое функциональным преобразователем 11 и хранящееся в элементе 14 как во время работы устройства (датчика), так н при временном отключении устройства, С выхода Функциойального преобразователя 9 ATi подается в первый запоминающий элемент 10, где задерживается на величину Ьс . Суммирование ьт с целью определения суммарного отклонения градуи.эовочной характеристики от начальной происходит по формуле „ ь" общ = (8) (1

С выхода элемента 14 A ТввщпоДаетсЯ на второй вход сумматора б, а в случае отключения устройства (датчика) хранится в нем, а также подается на, второй вход элемента 10. С выхода элемента 10 значение поправКи в предыдущий момент времени подается. на вход Функционального преобразователя 11, который определяет относительное время старения (износа) датчика.

Это время определяется исходя из положения теории надежности, на основании которой износ элемента в данный момент времени зависит от величины отработанного ресурса в прошлом .и не зависит от того, как был выработан этот ресурс.

Функциональный преобразователь 11 реализует обратную функцию от формулы (7) по значениям ьт1 1 и тср. ц -г(ьт,, т,;) (9)

Э .о значение йодается на выходы преобразователя 1 через элемент 15 на вход функционального преобразователя 9.

При временном отключении устройства регулирования температуры и объекта в элементах 15,10 и 14 сохраняются значения t(,ьт1 и ьтрбщ., по которым

805274

Формула изобретения автоматически восстанавливаются определенные поправки аТ + при после"дующем пуске устройства.

Реализация данного устройства позволяет увеличить точность поддержания заданных температур объекта эа счет значительного уменьшения сиаибки измерения, обусловленной изменением градуироночной характеристики датчика от начальной. Это важно особенно в условиях проьыаленного производства, так как позволяет более точно выдержать параметры заданного технологического процесса, что, в свою очередь, повыаает качество продукции, снижает процент брака. Отклонение от заданного технологического процесса, 35 обусловленное измененчем градуировочной характеристики датчика от начальной, которое может составлять несколько процентов, в некоторых отраслях производства оказывает значитель-щ ное влияние. Например, при производстве тонкопленочных элементов методом осаждения из гаэофазной среды отклонение температур испарителей на

О, 5-1% вызывает отклонение скорости оса- ждения на 10%, а следовательно, отклонениЯ получаемых. пленок по толщине также составляет 10%, что,в свою очередь, э начительно изменяет параметры получаеваих элементов.

Дополнительные затраты на реализа- Зо цию предлагаемого устройства по сравнению с известным незначительны, так как все функции выполняются в цифро вой форме и их можно реализовать на дешевых интегральных схемах и микро- 35 процессорах малого быстродействия.

Устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно. ga соединенные задающий блок, цифровой компаратор и исполнительный элемент, а также последовательно соединенные датчик и цифровой преобразователь, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности регулиро нания при долговременной эксплуатации устройства, оно содержит таймер, первый запоминающий элемент, последовательно соединенные элемент задержки, блок усреднения, первый функциональный преобразователь, второй запоминающий элемент и сумматор, а также последовательно соединенные блок памяти, второй функциональный преобразователь и третий запоминающий элемент, выход которого подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, третий вход которого соединен с выходом блока памяти, а четвертый вход — с выходом таймера, связанным со нторым входом блока усреднения и вторым входом второго. функционального преобразователя, третий и четвертый входы которого подключены, соответственно, к выходу блока усреднения и выходу первого запоминающего элемента, входом связанного с выходом первого функционального преобразователя, причем вход сумматора подключен к выходу цифрового преобразователя, а выход — ко входам цифрового компаратора, элемента задержки и блока усреднения.

Источники информации, г..;.-инятые но внимание при экспертизе

1. Васильев Я.В. и др. Применение фо "огальванических усилителей для иэодромного регулирования температуры.-"Приборы и системы управления", 1971 с Ф бю с. 19.

2. Патент США Р 3942718, кл. 6 05 D 23/24, опублик. 1974 (прототип).

ВНИИПИ Заказ 10902/70

Тираж 951 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãaðoä,óë.ÏðîåêòHàÿ,4