Устройство для регулирования температуры

 

(72) Авторы изобретения. ВаПЕЫ КОвТЕМя ТС Я

Л.Н.Лариков, А.В.Золотухин, А.П.Иантуло бюро Ю. УМРг "М

Опытное конструкторское технологическое (7l) Заявители металлофизики АН Украиснкой ССР и Институт металлофизики

АН Украинской ССР (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к регулированию температуры и может быть использовано для обслуживания объектов, требующих высокой точности регулирования температурного режима в широком диапазоне по программе, в частности, в электрических печах сопротивления испытательных машин.

Известно устройство для автоматического регулирования температуры, содержащее датчик программы, сумматор, измерительный блок, нуль-орган, со счетчиком импульсов, исполнительный орган и объект регулирования с подключенным к нему датчиком температуры, образующие контур регулирования ll3, Однако это устройство не обеспечивает требуемой точности регулирования во всем возможном диапазоне изменения температур. Наибольшая точность регулирования возможна в сравнительно узком интервале температур, лежащем, как правило, в середине, а на краях диапазона точность регулирования значительно понижается. Это объясняется ограниченностью линейных участков характеристик элементов, образующих контур регулирования, в частности датчиков температуры.

На практике широкое применение нашли устройства для регулирования температуры, в которых предусматривается возможность коррекпии программы регулирования в соответствии с законом изменения характеристик, входящих в их состав при относительно несложном схемном и конструктивном выполнении устройств.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, регулируемый элемент и преобразователь, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход

877491 4 которого соединен с датчиком тем" пературы, установленным на объекте регулирования, соединенном с исполнительным органом. Сигнал от одного датчика температуры поступает на блок управления, а от другого — на регули.руемый элемент задатчика программы.

Задание программы регулирования производится изменением частоты импульсов задающего генератора, а коррекция программы — вследствие изменения длительности импульсов по сигналам второго датчика температуры. Такое решение позволяет улучшить точность регулирования температуры при наличии теплопотерь P2) .

Недостатком данного устройства является то, что коррекция программы регулирования осуществляется без учета нелинейностей характеристик датчиков температуры, их старения и вариаций условий нагревания объекта. Кроме того, для качественного регулирования, о6а датчика температуры должны обладать идентичными характеристиками, что на практике является труднодостижимым, Цель изобретения — повышение точности регулирования.

Работа предлагаемого устройства основана на том, что закон изп1енения сигнала эадатчика проводится в соответствии закону изменения сигнала датчика обратной связи. Тогда справедливо выражение для скорости изменения температуры объекта =const1

ДТ которая зависит от скорости изменения задания, выбранной скорости нагрева.

В начале импульс мощности производит регулирующее воздействие на объект, сигнал задатчика выводит регулятор из равновесия.

Температура объекта изменяется, изменяется сигнал датчика температуры.

Время поступления сигнала обратной связи по отношению к моменту появления сигнала задания — это время реакции объекта на регулирующее воздействие, т.е. постоянная времени объекта с . ПРи этом ЕЗП* -С а ч

= И, гдеб а — сигнал задатчика, М4 — сигнал датчика температуры.

Д сыч.

11ри соблюдении условия ЬЕ

const 0 =const, когда b.K а

=var ià рег-улятор стремится подавать это отклонение соответствующей репT акцией, т.е. тогда скорость у — Ф сопзС и закон изменения темйерату- ры соответствует закону изменения сигнала датчика — его характеристике.

Предлагаемое устройство обладает свойствами подстраивать закон изменения задания под закон изменения сигнала датчика температуры. Это

Уйа возм6жно вследствие того, что система регулирования обладает опреде-.

1О ленной постоянной времени Е, кото.рая в термических устройствах на"

1 -Э кодится в пределах 10 -10 с и toлее, а скорость реакции контура настройки задания находится в предеt5 лах быстродействия электронных схем (10 -10 4с), т.е. на 10 -10 вьппе.

3 9

Таким образом, электронная схема всегда успеет подкорректировать задание до того, как термическая

ЙТ а0 система выйдет из режима — =const

84

Для.того„sa счет быстрого реагирования электронной схемы не входила в автоколебательный

t режим задается определенный порог

25 зоиы нечувствительности, который соответствует заданной ошибке слежения за условием - — =const, ат

Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры, содержащее йоследовательно соединенные задающий генератор, регулируемый элемент, например делитель частоты, и первый функциональный преобразователь, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на объекте регулирования, соединенном с исполнительным органоМ, содержит нуль-орган, реле времени, последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, второй функциональный преобразователь, а также полярночувствительные реле, выходы которых связаны с вторым и третьим входами сумматора, входы — выходами нульоргана, вход которого подключен к первому выходу блока управления, второй выход которого соединен с первым входом реле времени, второй вход которого связан с выходом ис" точника опорного напряжения, а вы" ход реле времени — со входом исполнительного органа, причем выход второго функционального преобразователя связан с управляющим входом регулируемого элемента °

87749

Такое схемное решение устройства для регулирования температуры обеспечивает аппроксимацию нелинейных участков характеристик датчиков температуры и коррекцию программы регулирования в соответствии с законом изменения этих характеристик.

На чертеже приведена блок-схема устройства для регулирования температуры. 10

Устройство содержит задатчик 1 программы, в состав которого вводят последовательно соединенные задающий генератор 2, регулируемьй элемент

3, например управляемый кодом дели- н тель частоты, первый функциональный .преобразователь 4 (цифроаналоговый преобразователь)

Блок 5 управления выполнен по схеме высокоточного регулятора тем- 20 пературы и содержит сумматор 6, измерительный усилитель 7 и регулятор 8. Входы сумматора б рассматриваются как входы блока 5 управления, один из которых подключен к выходу 2S .преобразователя 4, а второй соединен с датчиком 9 температуры (термопарой), установленным на объекте .10 регулирования.

Исполнительный орган 11 содержит ,например, блок управления тиристо" рами, подключенный к первичной обмотке силового трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с нагревателем электропечи.

С исполнительным органом 11 через контакты реле 12 времени соединены выходы источника 13 опорного напряжения и регулятора 8 блока 5 управления.

Выход регулятора является первым выхо40 дом блока 5 управления, второй выход которого (выход измерительного усилителя 7) подключен ко входу нуль-органа 14.

К выходам нуль-органа 14 подключе4% ны два полярночувствительные реле 15 и 16. Первый вход сумматора 17 соединен с выходом источника опорного напряжения, а два входа (суммирующий и вычитающий) сумматора соединены соответственно с выходами полярночувs6 ствительных реле 15 и 16.

Выход сумматора 17 подключен ко второму функциональному преобразователю 18, выполненному по схеме аналого-цифрового преобразователя и соединенному выходом с одним из входов регулируемого элемента 3 задатчика

1 программы.

1 б

Устройство для регулирования температуры работает следующим образом.

Начало цикла -регулирования определяется моментом поступления команды

"Пуск" на реле 12 времени. Реле 12 срабатывает и через его нормально разомкнутые контакты источник 13 опорного напряжения подключается к исполнительному органу 11. На объекте

10 регулирования производится установленное воздействие, например, импульсом тепловой мощности. Длительность этого импульса определяется временем задержки реле 12. Величина времени определяется заранее на основании опытных данных для каждого исследуемого образца материала. Она учитывает теплофизическне свойства и инерционность объекта 10 нагревания и необходима для того, чтобы в момент начала регулирования подать к объекту 10 нормированный импульс тепловой мощности, соответствующий его начальной теплоемкости (также определяемый заранее), и ограничить действие этого импульса по времени, чтобы не допустить перегрева объекта 10.

Датчик 9 и измерительный усилитель 7 непрерывно измеряют величину отклонения регулируемого параметра, при этом вырабатывается сигнал рассогласования со знаком плюс, так как на выходе задатчика 1 напряжение программы отсутствует.

Сигнал с выхода измерительного усилителя 7 поступает на вход регулятора 8, приводя его в состояние, соответствующее температуре объек-; та 10.

Однако на исполнительный орган 11 регулятор 8 влияния не оказывает, так как контур регулирования разомкнут контактами реле 12 времени.

Одновременно нарастающее но мере разогрева объекта 10 напряжение с выхода измерительного усилителя 7 поступает на вход нуль-органа 14, имеющего заданную определенную зону нечувствительности. При превьппении сигналом рассогласования зоны нечувствительности в сторону верхнего предела ограничения срабатывает полярIt 11 ночувствитгльное. реле плюс 15, которое своими нормально разомкнуты-. ми контактами (не показано) включает задающий генератор 2 задатчика

1 программы, В генераторе 2 предус"

877491 8 мотрена самоблокировка от повторных включений, поэтому дальнейшие вариации состояния реле 15 не оказывают влияния на работу генератора 2.

Напряжение с выхода задающего генератора 2 поступает на управляемый кодом делитель 3 частоты, на второй вход которого поступает сигнал с выхода аналого-цифрового пре" образователя 18, являющийся функцией алгебраической суммы величин опорного напряжения с выхода источника

13 опорного напряжения и сигнала рассогласования, измеренного усилителем 7.

Б«фровой код с выхода аналого- . цифрового преобразователя 18 управляет коэффиц«ентом деления управляемого кодом делителя 3 частоты, и таким образом, осуществляется коррекция программы регулирования.

Сигналы с выхода, целителя 3 частоты поступают на цифроаналоговый преобразователь 4 который целесо1 образно выполнять реверсивным для осуществления режимов нагрева и охлаждения.

С выхода информационногo преобразователя 4 скорректированное напряжен«е программы поступает на один из входов сумматора 6 блока 5 управления, на второй вход которого поступает сигнал от датчика 9 температуры. С выхода сумматора 6 разностный сигнал поступает на измерительный усилитель 7 и далее на регулятор 8.

К этому моменту реле 12 времени, отработав заданную временную задерж ку, возвращается в начальное состояние, при котором замыкается контур регулирования температуры объекта 10, т.е. ко входу исполнительного органа 11 через нормально замкнутые контакты реле 12 подключается выход регулятора 8, а источник 13 опорного напряжения соответственно отключается. В результате указанных переключений устройство для регули рован«я температуры выходит на ра" бочий режим плавно, без значительных выбросов регулирования.

В установившемся режиме регулирования значение кода преобразователя

18 определяется алгебраической сум" мой источника 13 опорного напряжения и одного из выходов нуль-органа 14

При превышении зоны нечувствительно" сти нуль-органа 14 срабатывает одно из полярночувствительных реле ("плюс"

15 «ли",мннус" 16) и сигнал рассогласования суммируется с сигналом источника 13 опорного напряжения.

При превышении сигналом рассогласования верхнего уровня эоны нечувствительности нуль-органа 14 срабатывает реле 15 и величина напряяиния на входе второго функционального преобразователя 18 складывается из напря © жения U источника 13 опорного напряжения (величина которого устгнавливается в зависимости от требуемой скорости линейного нагрева) и напряжения разбаланса +д0.

Таким образом, сумма этих напряжений равна Uc=00+n U ) Uo При этом значение кода преобразователя 18 возрастает, соответственно ему увеличивается коэффициент деления управляемого кодом делителя 3 частоты и частота напряжения на входе преобразователя 4, а следовательно, сигнал на входе сумматора 6 уменьшается.

Это происходит до тех пор, пока величина разбапанса +ЬО на входе нуль-органа 14 не установится в пределах зоны нечувствительности, при этом реле 15 отключается и на пре- образователь 18 воздействует только сигнал Uо с выхода источника 13 опорного напряжения, т.е. коэффициент деления управляемого кодом делителя 3 частоты будет соответствовать номинальному.

З При превышении сигналом рассогласования нижнего уровня зоны нечувствительности нуль-органа 14 срабатывает реле 16 и происходит алгебраическое суммирование вида

4о 0<-0<- 60 (U 0 пока этот сигнал раэбаланса — LU снова не установится в зоне нечувствительности нуль-органа 14.

Таким образом, предлагаемое устyg ройство обладает свойством автоматического выхода на рабочий режим без значительного перерегулирования, способностью аппроксимации нелинейных участков характеристик датчиков тема пературы и возможностью слежения эа этой характеристикой с высокой точностью. При этом режим слежения осуществляется методом постепенных приближений, что устраняет самовозбущцение устройства при больших скоростях нагрева, малой инерционности объекта регулирования и значительной нелинейности датчика температуры.

9 87

Кроме того, если произойдет обрыв или короткое замыкание в цепи датчика 9 обратной связи, система перейдет в режим самоблокировки зэдатчика по цепи 6, 7, 14, 15, 17, 18, 3, 4, что предотвращает аварийный режим исполнительного органа 11 изза неуправляемого нагрева.

Формула изобретения

Устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные задающий генератор, регулируемый элемент, например, усилитель частоты, и первый функциональный преобразователь, подключенный выходом к одному из входов блока управления, второй вход которого соединен с датчиком температуры, установленным на объекте регулирования, соединенном с исполнительным органом, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности регулирования, оно содержит нуль7491 10 орган, реле времени последовательно соединенные источник опорного напряжения, сумматор, второй функциональный преобразователь, а также голярночувствительные реле, выходы которых c,âaçàíû с вторым и третьим входами сумматора, входы — с выходами нуль-органа, вход которого подключен к первому выходу блока управЮ ления, второй выход которого соединен с первым входом реле времени, второй вход которого связан с выходом источника опорного напряжения, .а выход реле времени — со входом исИ полнительного органа, причем выход второго функционального преобразователя связан с управляющим входом регулируемого элемента.

26 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР

М 224933, кл. G 05 D 23/22, 1960.

2. Авторское свидетельство СССР

М 533920, кл. G 05 0 23/22, 1974 (прототип), 877491

Составитель Л.Птенцова

Редактор 10.Ковач Техред;Ж.Кастелевич КорректорЕ Рошко

Заказ l!456 Тираж 943 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4