Устройство для регулирования температуры

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

R АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<щ824157 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 26Ю6.79 (21) 2789831/18-24 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано 230481. Бюллетень HB 15

Дата опубликования описания 2304.81 (51)м. Кл.з

G 05 D 23/19

Государственный комитет

СССР во делам изобретений н открытий (531 УДК 621.555. .6 (088.8) Ю.А. Махмудов, Э.Ю. Салаев, Ч.О. Каджар, Г.Х. Алиев, М.Э. Эминов и P.Ê. Алекперов (72) Авторы изобретения

Институт кнбернетики AH Азербайджанской ССР. (71) Заявитель (54) УСТРОИСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ..1

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и мо" жет быть применено для программного регулирования температуры, например для выращивания кристаллов..

Известно устройство, содержащее преобразбватель аналог-код, включающий генератор импульсов, блок форми" рования пилообразного напряжения, подключенный к выходам преобразователя аналог-код, элемент ИЛИ, подключенный к входам преобразователя аналог-код, пороговый блок, на который подается сигнал, пропорциональный контролируемой температуре, выход.которого подключен к выходу преобразователя аналог-код, дешифратор, блок запуска, триггер управления, элемент И, формирователь двоичного .кода, блок перезаписи, формирователь уйравляющих сигналов, исполнительный элемент (1).

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции„ сравнение текущего значения температуры с заданной величиной, кроме того, формирование управляющих сигналов производится не непрерывно, а в определенные промежутки периодов пилообразного напряжения, что снижает ЗО точность регулирования температуры, а также надежность работы устройства.

Наиболее близким к предлагаеМому является устройство для регулирования температуры, содержащее генератор импульсов, первый элемент И, блок формирования пилообразного напряжения, двоичный счетчик, преобразователь код-аналог, пороговый блок, компаратор, первый элемент НЕ, второй элемент НЕ, второй элемент И, третий элемент И, блок запуска, триггер управления, формирователь управляющих сигналов, исполнительный эле-, мент.

После включения питания блок за-. пуска устанавливает в исходное состояние двоичный счетчик, исполнительный элемент, а триггер управления переводит в состояние "0". Импульсы с выхода генератора импульсов, пройдя через элемент И, Поступают на вход двоичного счЕтчика..Так как выход двоичного счетчика соединен с входом преобразователя код-аналог, то каждое текущее содержимое двоичного счетчика преобразуется в напряжение преобразователем код-аналог., Таким образом, на выходе прео6разо824157 вателя код-аналог получается ступен-, упранления, а выход со вторыми вхочато нозрастающее, т,е. пилообраэ- дами второго и третьего элементов ное напряжение p . это напряжение и, выход блока формирования пилообпоступает на первый вход порогового разного напряжения соединен с перблока, а на второй вход порогового вым входом компаратора, нторой вход блока поступает напряжение o(, с вы- 5 которого подключен ко нторому входу хода датчика температуры, пропорцио- порогового блока и выходу датчика, нальное величине регулируемого пара- температуры, а выход — к третьему метра. При pi (* на выходе порогово- входу второго элемента И, третий

:ro блока сигнал отсутствует, двоич- вход третьего элемента И соединен сйый счетчик продолжает заполняться выходом основного триггера управлеимпульсами с выхода элемента И и по- ния, а выход — co вторым входом ,этому напряжение р увеличивается. формирователя управляющих сигналов,, Когда напряжение р становится ныход блока запуска соединен со вторавным d, т.е. при @ =с/, на выхо- рым входом исполнительного элеменде порогового блока получается сиг- та и первым входом блока формированал "1", который пЕребросит триггер 15 ния пилообразного напряжения, а такуправления в другое состояние, т.е. же делитель частоты, последовательв состояние "1", Когда триггер управ- но соединенные первый таймер, элемент ления переходит в состояние "1", ИЛИ и дополнительный триггер управзаполнение двоичного счетчика им- ления, а также последовательно соепульсами прекращается, и число, на- Щ диненные четвертый элемент И и втоходящееся в этот момент в двоичном рой таймер, выход которого соединен счетчике является характеристикой со вторым входом дополнительного регулируемого параметра. Зто число триггера управления, причем входы запоминается в двоичном счетчике, четвертого элемента-И подключены что соответствует напряжению р на 25 соответственно к выходу основного выходе преобразователя код-аналог; триггера управления и первому входу

После этого текущее значение регули- первого элемента И, второй вход коруемой температуры, т.е. напряжение торого подключен к выходу дополниФ с выхода датчика температуры, тельного триггера управления, а вынелрерынно сравнивается с напряжени- ход — к первым входам первого тайем р в компараторе и в пороговом мера и делителя частоты, выход котоблоке. В зависимости от знака отк- рого соединен со вторым входом блолонения текущего значения регулируе- ка формирования пилообразного напрямой температуры от заданной, уст- жения, а выход блока запуска связан ройство вырабатывает управляющий сиг- со вторыми входами элемента ИЛИ обонал, вызывающий увеличение или умень- З5 их таймеров и делителя частоты. шение управляющего воздействия (2). На фиг. 1 приведена функциональНедостатком известного устройст- ная схема предлагаемого устройства, ва является то, что ойдо ограничива- на фиг. 2 — временная диаграмма рается только подцержанием температуры боты устройства. Устройство для рену определенном уровне и .не позно- 40 гулирования температуры содержит ляет поддерживать температуру на генератор 1 импульсов, первый элеопределенном уровне в течение задан- мент И 2, блок 3 формирования пилоиого времени, а также понижать тем- образного напряжения, двоичный счетпературу с заданной скоростью в тече- чик 4, преобразователь 5 код-аналог, ние заданного времени, что особенно 45 пороговый блок 6, компаратор 7, перважно при выращивании кристаллон. вый элемент НЕ 8 второй элемент НЕ

Цель изобретения - расширение 9, второй элемент И 10, третий элефункциональиых воэможностей изьест- мент И 11, блок 12 запуска, основной ного устройства. триггер 13 управления, формирователь поставленная цель достигается О 14 управляющих сигналов, исполнительтем, что устройство для регулирона- -ный элемент 15, датчик 16 температуния температуры содержит датчик тем" ры, делитель 17 частоты, первый тайпературы, последовательно соединен- мер 18, четвертый элемент И 19, втоные генератор импульсов и первый рой таймер 20, элемент ИЛИ 21, доэлФмент И, последовательно соединен- полнительный триггер 22 управления. ные блок запуска, основной триггер 55 Устройство работает следующим управления, второй. элемент И, форми- образом. ронатель управляющих сигналов и ис- После включения питания, блок 12 полнительный элемент, последователь- запуска устанавливает в исходное сосно соединенные компаратор, первый тояние первый таймер 18, делитель элемент НЕ и третий элемент И, à gp 17 частоты, двоичный счетчик 4, втотакже последовательно соединенные рой таймер 20, исполнительный элеблок формирователя пилообразного мент 15, а основной триггер 13 управнапряжения, пороговый блок и второй ления переводит в состбяние "0". Кроэлемент НЕ, вход которого соединен ме того, сигнал с выхода блока 12 со вторым входом основного триггера д запуска, пройдя через элемент ИЛИ 21, 824157

55 переводит дополнительный триггер 22 управления в состояние "0". Поэтому основной триггер .13 управления запирает элементы И 10, И 11 и И 19, а дополнительный триггер 22 управления запирает элемент И 2. 5

После этого с помощью уставки

"Уст. 1" в двоичном счетчике 4 устанавливается заданное значение температуры t3, которое необходимо поддержать постоянным в течение времени Т„ (линия ВС на фиг. 2), а с помощью уставки "Уст. 2" в делителе 17 частоты устанавливается такое .значение частоты, которое соответствовало бы заданной скорости понижения температуры (линия CD).Так как выход двоичного счетчика 4 соединен с входом преобразователя 5 код-аналог, то на выходе преобразователя 5 код-аналог получается напряжение Ъ, пропорциональное заданному значению темпера- 20 туры

Напряжение (ь с выхода преобразователя 5 код-аналог поступает на первый вход порогового блока б и компаратора 7. На второй вход порогового . 75 блока б и компаратора 7 поступает напряжение (с выхода датчика 16 температуры. После включения цепи нагрева регулируемого объекта, текущее значение температуры возрастает по линии AB. Поэтому возрастает и значение напряжения А с выхода датчика 16 температуры. В момент времени В, т.е. когда текущее зна( чение температуры равно заданному

t,,значение * также равняется р>, т.е. К р . При этом на выходе порогового блока б получается сигнал, который переводит основной триггер 13 управления в состояние

"1". С этого момента, в течение вре- 40 мени Т.(, устройство осуществляет поддержание значения температуры в регулируемом объекте на постоянном значении; равном t> . Это происходит следующим образом. 45

При переходе основного триггера

13 управления в состояние "1", открываются элементы И 10, И 11 и .И 19.

Поэтому импульсы с выхода генератора 1 импульсов, пройдя через элемент И 19, поступают на счетный вход второго таймера 20, который начинает измерять временной интервал Т,, (см. Фиг. 2). .Для поддержания значения температуры в регулируемом объекте на постоянном уровне, текущее значение регулируемой температуры, т.е. напряжение о(с выхода датчика 16 темпе(ратура непрерывно сравнивается с напряжением p . 60

В компараторе 7 и в пороговом блоке б (чувствительность компаратора выбирают больше или равной чувствительности порогового блока).. В зависимости от знака отклонения теку- 65 щего значения регулируемой температуры от заданной, устройство выра-. батывает управляющий сигнал, вызывающий увеличение или уменьшение управляющего воздействия.

Например, если текущее значение регулируемой температуры больше от заданного, т.е. о(.>ф, то на выходе порогового блока 6 получается сигнал. "0", а на выходе элемента НЕ 9высокий потенциал, т.е. сигнал "1"

Так как в это время на выходе компаратора 7 имеется высокий потенциал, то сигнал "1" с выхода элемента НЕ 9 проходит через элемент И 10 и поступает в формирователь 14 управляющих сигналбв, который вырабатывает сигнал, вызывающий уменьшение управляющего воздействия. При уменьшении текущего знач .ния температуры до Я, т.е..при <4=p на выходе порогового блока 6 получается сигнал "1", а на выходе элемента

НЕ 9 получается сигнал "0", и поэтому на выходе И 10 и И 11 сигнал отсутствует.

Если текущее значение регулируемой температуры меньше от. заданного, т.е. с((, то на выходе порогового блока 6 сигнал "0", а на выходе элемента НЕ 9 — высокий потенциал, т.е. сигнал "1".. При о(,<@ на выходе компаратора 7 низкий потенциал, т.е, сигнал "0", а на выходе элемента

НЕ 8 — сигнал "1". Поэтому сигнал

"1" с выхода .элемента HE 9 проходит через элемент И 11 и поступает в формирователь 14 управляющих сигналов.

При увеличении текущего значения температуры до (ь т.е. при Ы В, на выходе .порогового блока 6 сигнал

"1", а на выходе элемента НЕ 9 сигнал "0", и поэтому на выходе элементов И 10 и И 11 сигнал отсутствует. далее регулирование температуры повторяется аналогично.

По истечении времени Т« т.е. в момент времени С (см. фиг. 2), на выходе второго таймера 20 получается сигнал и переводит дополнительный триггер.22 управления в состояние

"1". С этого момента в течение времени Т устройство осуществляет понижение температуры с заданной скоpocTbIo (линия CD}. Это происходит следующим образом.

При переходе дополнительного триггера 22 управления в состояние

"1", открывается элемент И 2. Поэтому импульсы с выхода генератора

1 импульсов, пройдя через элемент

И 2, поступают на вход делителя 17 частоты и на счетный вход первого таймера 18. Таким образом, первый таймер 18 начинает измерять время охлаждения Т, (см. фиг. 2). Так как выход делителя 17 частоты соединен со входом двоичного счетчика 4, то

824157 в соответствии.с уставкой "Уст. 2" с выхода делителя 17 частоты на вход ,двоичного счетчика 4 поступают импульсы с частотой f. Частота этих импульсов f соответствует заданной скррости снижения температуры, 5 т .e. отношению, где а изменение температуры, С, б .— изменение времени, мин. В двоичном счетчике 4 происходит вычитание импульсов, получаемых на выходе делителя 17 частоты, с содержимого счетчика 4. Таким образом, в каждом периоде следования импульсов на выходе делителя 27 частоты содержимое двоичного счетчика 4 уменьшается на величину ь1, т.е..после первого периода следования импульсов содержимое двоичного счетчика 4 становится равным «з - д «, после второго пери,ода (tg+>- 2 д t) и т..д. В промежут.ке времени, который соответству- 20 ет периоду следования импульсов на .выходе делителя 17 частоты, значения температуры поддерживаются устройством на постоянном значении аналогично, т.е, в первом периоде следо- 25 вания импульсов устройство поддерживает на постоянном значении величину («З - ь «), во втором периодевеличину («,д - 2 а «} и т.д.

Таким образом., начиная с точки С в течение времени Т температура снижается с заданной скоростью т.е. но линии CD.

Процесс снижения температуры заканчивается в момент времени 0 .

Ь этот момент содержание первого таймера 18 достигает значения Т .

При этом на выходе первого таймера

18 вырабатывается сигнал, который оерез элемент ИЛИ 21 устанавливает 4О дополнительный триггер 22 управления в состояние "О". Дополнительный триггер 22 управления запирает элемент И 2. Этот процесс снижения температуры с заданной скоростью в те- 45 чениЕ времени Т заканчивается и устройство возвращается в исходное состояние. После этого с помощью уставки "Уст. 1" в двоичном счетчике 4 опять можно установить необходимое 39 значение температуры t>, а с помощью уставки "Уст. 2" в делителе 17 частоты можно установить необходимую скорость снижения температуры и процесс может неоднократно повториться.

Предлагаемое устройство позволяет поддерживать температуры на постоянном значении в течение заданного в времени, а также снижать температуры (охлащцать) с заданной скоростью в течение заданного временного интервала, что необходимо при управлении технологическими процессами, например при выращивании кристаллов.

Так как предлагаемое устройство построено на цифровых элементах, то.оно практически обеспечивает любую точность регулирования температуры, а также любую скорость снижения температуры (скорость охлаждения). устройство построено на интегральных микросхемах серии К140, К218, К155, К 198 и проведенные его испытания показали правильность . принципа построения и высокую эксплуатационную надежность.

Формула изобретения

Устройство для регулирования температуры, содержащее датчик температуры, последовательно соединенные генератор импульсов и первый элемент

И, последовательно соединенные блок запуска, основной триггер управления, второй элемент И, формирователь управляющих сигналов и исполнительный элемент, последовательно соединенные компаратор, первый элемент

НЕ и третий элемент И, а также последовательно соединенные блок формирования пилообразного напряжения, пороговый блок и.второй элемент

НЕ, вход .которого соединен со вторым входом основного триггера управления, а выход со вторыми входами второго и третьего элементов И, выход блока формирования пилообразного напряжения соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен ко второму входу порогового блока и выходу датчика температуры, а выход — к третьему входу второго элемента И, третий вход третьего элемента И соединен с выходом основного триггера управления, а выход — co вторым входом . формирователя управляющих сигналов, выход блока запуска соединен со вторым входом исполнительного элемента и первым входом блока формирования пилообразного напряжения, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения функциональнйх возможностей устройства, оно содержит делитель частоты, последовательно соединенные первый таймер, элемент

ИЛИ и дополнительный триггер управления, а также последовательно соединенные четвертый, элемент И и второй таймер, выход которого соединен со вторым входом дополнительного триггера управления, причем входы четвертого элемента И подключены соответственно к выходу основного триггера управления и первому входу перваго элемента И, второй вход кото---рого подключен к выходу дополнительного триггера управления, а выход— к первым входам первого таймера и делителя частоты, выход которого сое824157

1О динен со вторым входом блока. формирования пилообразного напряжения, а выход блока запуска связан со вторыми входами .элемента ИЛИ обоих тайглеров и делителя частоты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ь 54773б, кл. G 05 0 23/19, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке гг 2б445.35/18-24, кл. G 05 D 23/19, 1978 (прототип2.

824157

Составитель С. Стрелецкий

Техред Н,.Граб Корректор Г.Решетник

Редактор A. Шишкина

Заказ 2109/69 Тираж 940 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4