Термостатирующее устройство

 

Союз Советск из

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (i i 940141 (6l ) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 29.12.80 (21) 3227041/18-24 с присоединением заявки № (23) Приоритет

Опубликовано 30.06.82. Бюллетень ¹ 24

Дата опубликования описания 30.06.82 (51)М. Кл.

Q 05D 23/19

9кударстваив1 квинтет

СССР аа делен нзабретеннй н вткрнтнй (53 ) Уд К 621. 555..6(088.8) (72) Автор изобретения

Г. В. Евстратов /

1,, Харьковский ордена Ленина п хнический институт им. В. И. Ленина (71) Заявитель (54) ТЕРМОСТАТИРУЮШЕЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к технике автоматического регулирования температуры, а более конкретно к системам управления термостатами, предназначенными для термостатирования различных радио5 электронных элементов автоматики, а также относится к оптимальным по быстродействию устройствам управления обьектами с распределенными параметрами.

Известно термостатирующее устройся» во, содержащее термоЧувствительный мост, подключенный к блоку управления, к выходу которого через последовательно соединенные ключевой элемент и усилитель мощности подключен нагреватель, а также содержащее подключенные к выходу ключевого элемента последовательно соединенные генератор линейно возрастающего напряжения и.пороговый элемент, выход которого подключен к го одному из плеч термоч встительного моста 11.

Недостатком указанного устройства является низкое быстродействие, а также

2 то, что устройство работает только наг подогреве, т.е. работает только в тех условиях, когда температура статирования выше температуры окружающей среltbI.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является термостатиру к щее устройство, содержащее термочувсч вительный мост и задатчик температур, подключенный к блоку управления, компаратор, последовательно сееднненные генератор монотонно возрастающего напряжения и первый пороговый элемент, последовательно соединенные основные усилитель мощности и исполнительный элемент, а также содержит подклкяенные к первому выходу блока управления последовательно соединенные блок памяти начальной температуры, дифференцвльный усилитель, второй пороговый элемент, смеситель видеоимнульсов и управляктдий триггер, а также содержит инвертирующий повторитель и коммута3 94014

:ор напряжений, первый и Второй каналы которого соединены с выходами компарвторв и блока управления, в выход ко амутаторв нвпряжений связан с входом основного усилителя моецности, причем второй вход дифференциального усилит «пя связан с выходом звдвтчика тем-, пературы, а выход - с входом коешарвтоов и с вторьем входом первого порогоВог.з элемента, выходом связанного с ьторьем входом смесителя видеои».пеульсов, в«ход нивелирующего повторителя связан с ВыходоМ вЂ” знервторв монотоеено Возрвс ев;.:.ееего напряжения, в выход - с

В»" О, =,ЪЛ«»Е ВХОДОМ ВТОРОГО ПОРОГОВОГО SJIe» мента, вьехогье управляющего триггера и .;дклеочены к управляющим входам коммутатора .еае.:;.«яжений (2) .

Недостатком известного устройства .-.- Вляется низкая точность управления теп- О лофизическим объектом в переходном режиме при различных ограничениях нв градиенты температур в эвдвнньех. точках управляемого Объекта с распределенными параметрами, 2$ ееель изобретения — повышение точееостее уп "ввления теплофиэическим объек".ОМ .=: Е«,.,Я;:.ar:;-».О.Е РЕЖИМ-;, e ИМЕННО ПОлу .,ение Q ;-ет":.ъ .О."еьного п»«е .«вес тр О яе Йс твию уе»павле- ния тепл-,< изи ееским объектом при рвач"., еи:ж Огранееченееях нв его входные

Ч ВЬЕХ",«ДНЫЕ Е .О ОРДИНВТЬЕ

Ухвзвнеевя цель достигается ТеМ чтo в термостатирующее устройство, содержащее первый первичный преобразователь

И (измеритель) температуры, звдатчик температуры ствтироввнкя, коеемутатор напряжений, первый и второй управееяющие входы которого подепеючены соответственно к неиквертиру куцему «и инвертирующему выходам уеерввляюецаго триггера, компарвтор,, =;:- ттель мощности, выходом подеОеюченееъей к вход» исполнительного элемента, введены блок первичньех преобразователей, (измерителей) темпера4$

".уры. блок ограничителей, логический з.;:::;мент ИЛИ„. блок задержки, звдатчик п«редеееьно допустимой темееературы, âú хР",Ол«е подключенный к перВому входу к е4м; »татОрв напряжений, второй ВхОд ко";.срого подключен к задатчику темпера- .

30 тура ствтироваьия, а выход коммутатора напряжений подключен к первому входу компврвторв, выход которого подключен

;--„, входу усилителя мощности, причем выход пе",;:того преобразователя температут ." 6по.::-.-а первичньех преобразователей (измер ..телей) температуры подключен к

Второму входу компараторв и к первым

1 4 входам ограничителей бпокв ограничителей, вторые входы которых соединены с соответствуюепими выходами (второго и последукапих) преобразователей блока первичных преобразователей температуры, при этом выходы блока ограничителей через элемент ИЛИ подключены к третьему Входу компарвторв, в первый вход управляющего триггера соединен с входом блока задержки, выход которого подключен к второму входу управляющего триггера.

Блок задержки содержит последовательно соединенные генератор импульсов, делитель частоты, линейку двоично-десятичных счетчиков, блок дешифраторов, а также содержит логический элемент И, входы которого подключены через коммутационно-наборную панель к соответствующим выходам блока дешифрвторов, причем установочный вход линейки двоично-десятичных счетчиков является входом блока задержки, а выход логического элемента

И является выходом блока задержки.

Каждый ограничитель блока ограничителей содержит дифференциальный; усилитель, компвратор и блок задания предельно допустимой величины температурного градиента, выходом подключенный к первому входу компараторв, второй

ВХОД ПОСЛЕДНЕГО СВЯЭВН С ВЫХОДОМ Днфференцивльного усилителя, причем первый и второй входы дифференциального усилителя являеотся первым и вторым входами каждого ограничителя, а выход компарато= ра является выходом каждого ограничи Геля.

Нв фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2функееиональная схема блока задержки; на фиг. 3 — то же, одного из ограничителей блока ограничителей.

Термостатирующее устройство (фиг. 1) содержит блок 1 первичных преобразователей (измерителей) температуры, комцарвтор 2, усилитель 3 мощности, исполнительный элемент 4, коммутатор 5 напряжений, задатчик 6 предельно допус тимой температуры, упрввляюеций триггер

7, эвдатчик 8 температуры статирования, блок 9 задержки, блок 10 ограничителей, логический элемент ИЛИ 11. Клемма, на которую подается установочный сигнал (" Сброс ), обозначена позицией 12.

Кроме того, блок задержки (фиг. 2) содержит генератор 13 импульсов, стабилизированный кварцем, делитель 14 частоты, линейку 15 двоично-десятичных счетчиков, блок 16 иэ m дешифратоS 9401 ров двоично-десятичного кода в десятичный, коммутационно-наборну ю панель

17, rq -входовой логический элемент

И 18.

Кроме того, каждый из ограничителей блока ограничителей содержит дифференциальный усилитель 19, компаратор 20 и блок 21 задания предельно допустимой величины градиента температуры.

В устройстве в качестве исполнитель- tO ного элемента могут применяться КаК всевозможные электрические нагреватели (охладители), так и управляемая реверсивная термобатарея.

В устройстве объект термостатирования должен быть полностью наблюдаем, т.е. в заданные точки объекта термостатирования для контроля состояния объекта в каждый момент времени установлены датчики температуры. B таком устройстве 20 в качестве первичных преобразователей (измерителей) температуры может rrpweняться термочувствительный мост, подключенный к входу дифференциального усилителя, а также может быть приме- 25 нен пирометр. Причем датчик первичного преобразователя 1-0 установлен на объекте термостатирования рядом с нагревателем (термобатареей), т.е. на входе объекта термостатирования. А остальные

К датчиков первичных преобразователей (измерителей) температуры установлены в различных заданных точках объекта термостатирования (на выходах объекта термостатирования).

Блок 10 ограничителей состоит из отдельных независимых ограничителей, представляющих собой нелинейности типа зоны нечувствительности. Их выходное напряжение равно нулю, пока входное меньше порога срабатывания 0>p . Порог чувствительности каждого из ограничителей блока 10 равен напряжению, соответствующему допустимому уровню температурного градиентa дпя заданных то 45 чек.

Рассмотрим работу устройства на примере схемы (фиг. 1), где в качестве первичного преобразователя взят термочувствительный мост, подключенный 5О к входу дифференциального усилителя, а в качестве исполнительного элемента возьмем, например, управляемую раверсивную термобатарею.

При включении питания на блок 9 за55 держки и на управлякнций триггер 7 через входной зажим 12 подается установочный сигнал ("Сброс" ), который устанавливает схему в исходное положение.

41 6

После этого коммутатор 5 напряжений под действием управления с триггера 7 подключает выход задатчика 6 предельно допустимой температуры к входу компаратора 2, а выход задатчика 8 температуры статирования при этом отключается. На другой вход компаратора 2 с выхода первичного преобразователя 1-0 поступает напряжение, пропорциональное начальной температуре обьекта, т.е. напряжение U<, а на третьем входе компаpampa 2 напряжение в начальный момент равно нулю. Таким образом, компаратор

2 переводит усилитель 3 мощности в режим насыщения, последний, в свою очередь, выводит блок 4 реверсивных термобатарей на полную мощность, определяя тем самым начало форсированного выхода объекта в режим. Температура объекта термостатирования начинает изменяться с максимальной скоростью в сторону заданной температуры статироВаННН Тсг-.

Переходный процесс в термостатирующем устройстве начинается в момент подачи на вход компаратора 2 с задатчика 6 предельно допустимой температуры скачка напряжения заданной амплитуды 0 „,,„, которое соответствует максимально допустимой температуре на входе объекта Т *оп, т.е. Ос my =

=T *o,,,,На второй и третий входы компаратора 3 поступают сигналы отрицательной обратной связи с выходов и входа объекта термостатирования. При этом компаратор 2 скачком переходит в другое состояние, как только напряжение на выходе первичного преобразователя

1-0, соответствующее температуре на входе объекта Т х, достигнет своего предельного значения, равного амплитуде сформированного скачка напряжения, т е когда ТЬХ ТВХ Аоп=ооп1ах а также компаратор 2 срабатывает, если сработает хотя бы один из ограничителей блока 10. Последний сработает, как только градиент температур любой. из заданных выходных точек относительно входной превысит допустимую величину, Таким образом, до того момента, пока входные и вь|ходные координаты объекта не достигнут своих предельных значений, объект дви.кется в сторону заданного ко-нечного состояния с максимальной скоростью при предельном значении управляющего воздействия. Как только хотя бы одна из координат объекта достигнет своего предельного значения, то управляющее воздействие на выходе

g хсмпар. :.тора 2 меняет свой -:;.д;:: па об.Га !,",ный. Объект начинает двигаться с макси3 IQJII íoé cKopocTk ю B oápB Iн ю стоpQxe., и снова IIpH переходе границы обЛаотн До т„ " тИМЫХ ЭиаЧЕНИЙ КООРПИНат упраВляющее ВоэдейстВие меняет СВОЙ знак. Тактпт.".образом организуктт движе ние объекта термостатирования по границе области допустимых значений его

Вхо,с-„ьл и:ыходных координат до окончалия переходногО процесса В течение которого ре т,"ятор и Объект управления

;; ргt jF Âäëют собой замкнутую систему, . :.держиваюп,", "o входные и Выходные коорптпта"..ы объекта на допустимых эна"Iiъ ттИЯХ

ПРБ этом по истечении Определенного

"П"Х:-т ОВВНОГС ВРЕМЕНИ С НаЧапа ПЕРЕХОДного процесса задержанный установо4H2JN и.чптуль . (C6poc ) с Выхода блока

9 задеожки своим пере дним фронтом перебрасывает управляющий триггер 7 в нулевое состояние, который, в свою очередь, производит переключение канаЛОВ КОтПЛутатОра 5. ПрИ ЭТОМ ОдНОВрЕменно выход задатчика 6 предельно допусти:.ioA техлературы Отключается от

ВХОда:. ..-О:.:;Х-:т.татОра 2., а ВЫХОД ЗадатЧИКа

Э тЕМПЕР::- .,Рт:.. СтатИРОВВКИЯ ПОДКЛЮЧаЕтся. " мап« обваэом, момент срабатываНИЯ - тт «:-тВт;-:ЮЩЕГО тРИГГЕРа т И ПодаЧа ьта:;р;.:.женин .. . " Выхода эадатчика 8 те:.птературы статирования на вход комг

Па .;ВВОСП 2 СвндЕтЕЛЬстВуэт OQ ОКОттпа р эгона упрзвлч oI o oáüåêòB в режим;-:. начало режима стабилизации el o

КОНЕЧНОМ ЗадаННОъ,т уровттЕ, НаЧИНая с этог"; момента, кс,.щаратор 2 отрабатывает Ошибку расс огл Вс ОВ ания, ком петтсируя запасены ю энергию объекту

pe .-„ òHpoHBI-.-.Hÿ. Температура объекта на«IIIHBRT В т",, Внии аться по всему Объему и э.>:-.т::::ттс.;.;.:и-.. .". быстрее, когда в ка :,«.т;: :сполнитель Ого элемента служит евг.. ..мая реверсивная термобатарея, з-: " : . Системе появляется Воэможность;",тл .а лишнего тепла холода)

Ф за с.-,:; я;."тенения знака темпеватуры испт..-ппи,".-:-:льного элемента. При достижении раве; Гва температур Во Всех тОчках

;.ж - .=;аранной температуры статирования перехо,пт;.-N процесс заканчивается, а последующее регулирование носит импульс ный характер.

Рассмотрим работу блоха 9 задержки т,ф:.,:.". 2). После этого, как входной ттс:тB;ОВ," отттЫЙ СИГНаЛ (сбрСтс ) Подая иый;;а клемму 12, сбросит в нуль счетчики линейки 15 двоично-десятичныъ-.

40141

8.Счетчиков, то импульсы с задающего генератора 13, стабилизированного кварцем поступают через делитель 14 частоты на линейку 15 последовательно включенных двоично-десятичных с четчиков. Подключенные к выходам счетчика

15 дешифраторы 16 преобразуют последоватетъность импульсов в десятичный код. На выходах каждого дешифратора

te, (каждой декады) блока 16 появляются импугп сы, сдвинутые на время, равное

10"" Т относительно импульса на предыдущем выходе, где гт - номер декады, начиная со; Т вЂ” период

35 (с) повторения десятичного кода;на BMходах бпока 16 дешифраторов, определяемый емкостью И счетчика 15, частотой

j (Гц) генератора. импульсов 13 и коэффициентом К деления частоты на выходе

2О делителя 14 частоты, т.е.Т=—

Nk

Е

Период Т при необходимости регулируют .посредством изменения коэффициента К делителя 14 частоты. На коммутационнот наборной панели 17 с помощью тт -входо д вого логического элемента И 18 можно выделить любой иэ импульсов в периоде Т . Таким образом, выделяя нужный импульс в йериоде Т с помощью логического элемента И 18 и подавая его на вход управляющего QS -триггера 7, тем самым осуществляют необходимую задержКу входного установочного импульса (" Сброс ). В дальнейшем (уже после переходного процесса) импульсы с выхода

35 элемента И 18 периодически поступак г на вход управляющего Ф -триггера 7, подтверждая этим его состояние, что повышает надежность работы устройства в целом.

Рассмотрим работу одного из ограничителей блока 10 ограничителей (фиг. 3).

На один из входов дифференциального усилителя 19 подается напряжение с выхода первичного преобразователя 1-0, фЯ датчик которого установлен около нагревателя (охладителя). т.е. на входе объекта термостатирования. На другой вход дифференциального усилителя 1 9 подается напряжение с выхода, например, первичного преобразователя 1-1, датчик которого установлен в одной иэ заданных (контролируемых) точек объекта термостатирования. На выходе усилителя

19 получают напряжение, величина zoторого пропорциональная градиенту чвм ператур между вышеуказанными точками.

Это напряжение на входе компаратора

20 сравнивается с напряжением задания предельно допустимой величины гради9 940i ента температур, которое поступает с блока 21. Если градиент температур между вышеуказанными точками превысит предельно допустимую величину, то компаратор 20 срабатывает, мгновенно осуществляя через элемент ИЛИ 11 управляющее воздействие на компаратор

2, который в свою очередь также мгновенно меняет состояние. Как только градиент температур между этими точками to станет меньше предельно допустимого, то схема скачком возвращается в исходное положение.

В предлагаемом устройстве время задержки блока задержки зависит от начальных и граничных условий, а также зависит от ограничений, накладываемых на входные и выходные координаты объекта, т.е. зависит от температурного перепада между температурой статирования щ и начальной температурой объекта, от предельно допустимой температуры на входе объекта, а такт:е зависит от уста.вок на предельно допустимые градиенты температурного поля блока 10 ограничи- 25 телей. Поэтому ши оптимального по быстродействию управления объектом термостатирования время задержки блока задержки определяется предварительно или методом электрического моделирова- а ния, или с помощью решения этой задачи на электронной цифровой вычислительной машине. Если же время задержки предварительно таким путем определить невозможно, то его достаточно просто можно определить экспериментально на предлагаемом устройстве. При этом оператор, наблюдая переходной процесс с помощью измерительного устройства (например, вторичного самопишущего прибора или 4О осциллографа), каждый раз от одного запуска к другому регулирует время задержки блока 9 до тех пор, пока перерегулирование в ;заданной точке объекта будет соответствовать заданному. Как 4 правило, такой выходной точкой является наиболее удаленная от источников тепла точка объекта регулирования (например, центр камеры термостата). Если в процессе эксплуатации предлагаемого устройства изменились параметры, от которых зависит время задержки блока задержки 9, то время задержки этого блока необходимо при этом определить заново.

Структура предлагаемого устройства позволяет осуществлять оптимальное по быстродействию управление теплофизическими объектами с распределенными па41 10 раметрами в перехсдных режимах при следующих одновременно накладываемых ограничениях как на управляющее воздействие, так и на входные и выходные координаты объекта, т.е. когда ограничен диапазон скачкообразного изменения мощности источника тепла (холода), а точнее ограничена мощность источника в каждом из крайних его положений, ограничена максимальная температура на входе теплофизического объек м (температура обьекта под нагревателем), ограничена величина перерегулирования на выходе теплофиэического объекта (процент перерегулирования в наиболее уда- ленной от нагревателя точке распределенного объекта), а также допускает положения целого ряда ограничений на температурные градиенты в заданных точках теплофизического объекта, т.е. когда предъявляклся определенные требования к разномерности температурного поля объекта термостатирования в переходном режиме.

Формула изобретения

1. Термостатирующее устройство, содержащее первый первичный преобразователь (измеритель) температуры, задатчик температуры статирования, коммутатор напряжений, первый и второй управляющие входы которого подключены соответст4 венно к неинвертирующему и инвертирующему входам управляюще го триггера, компаратор, усилитель мощности, выходом подключенный ! к входу исполнительного элемента, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности управления теплофиэическим объектом в переходном режиме, оно содержит блок первичных преобразователей (измерителей) температуры, блок ограничителей, логический элемент ИЛИ, блок задержки, задатчик предельно допустимой температуры, выходом подключенный к первому входу коммутатора напряжений, второй вход которого подклю . чен к эадатчику температуры статирования, а выход комыутатора напряжений подключен к первому входу компаратора, выход которого подключен к входу усилителя мощности, причем выход первого преобразователя температуры блока первичных преобразователей (измерителей) температуры подключен к второму входу компаратора и к первым входам ограничителей, вторые входы которых соединены с соответствукиями выходами

11 9401 второго и последу куцик) преобразователей бпока первичных преобразователей теВаературы, прн этом выходы блока ограничителей через элемент ИЛИ подключены к третьему входу компаратора, а первый вход управлякилего триггера соединен с входом блока задержки, выход которого педкпючен к второму входу управлякщего триггера.

2. Устройство по п.1, о т л и ч a - 40 ю щ е е с я тем, что блок задержки содержит последовательно соединенные генератор импульсов, делитель частоты, линейку двончнО-десятичных счетчиковв блок депифраторов, а также содержит ts логический элемент И, входы которого подключены через коммутационноиабор -.ую панель к соответствукицим выходам бпока дешифраторов, причем установочный вход линейки двоично-десятичных счетчи- щ ков является входом блока задержки, а выход логического элемента И является выходом блока задержки.

41 12

3. Устройство по п.2, о т л и ч аю щ е е с я тем, кто каждый ограничитель блока ограничителей содержит дифференциальный усилитель, компаратор и блок задания предельно допустимой вели сины температурного градиента, высодом подключенный к первому входу компаратора, второй вход последнего связан с выходом дифференпиального усилителя, причем первый и второй входы дифференциального усилителя являются первым и вторым входами каждого ограничителя, à высод компаратора являетИсточники ивформапии, принятые во внимание при эюпертизе

1. Авторское овидем,.льство СССР

)4 549792, ш. 6 OQD:23/24, 1977, 2. Авторское свидетельство СССР по заявке % 2922725/18-24, кл. 5 052 23/19, 08.05.80 (прототип).