СПОСОБ НАСТРОЙКИ РАБОЧЕГО ДИАПАЗОНА ТЕМПЕРАТУР ТЕРМОРЕГУЛИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2010 года по МПК G05D23/00 

Изобретение относится к области стабилизации и регулирования температуры и может быть использовано при настройке устройств, обеспечивающих управление исполнительными органами (нагревателями и/или охладителями) в заданном диапазоне температур в режиме релейного или монотонного управления.

В бортовых системах и устройствах стабилизации (регулирования) температуры используются малогабаритные датчики температуры - терморезисторы, с применением которых можно выполнить простые (всего 10-12 пассивных и активных элементов и даже менее) терморегулирующие устройства практически для любых диапазонов температур. Однако терморезисторы имеют большой производственный разброс как по номинальному сопротивлению - до 20%, так и по крутизне характеристики (изменению сопротивления на один градус Цельсия) - примерно вдвое [1, 2], что не позволяет эффективно применить расчетные методы при проектировании таких устройств и исключает взаимозаменяемость датчиков температуры и терморегулирующих устройств в целом. Поэтому после проектирования и изготовления терморегулирующие устройства подвергают индивидуальной настройке (экспериментальному уточнению результатов расчета) для обеспечения работы изделия в заданных диапазонах температуры, а также для унификации параметров терморегулирующих устройств [3, 4].

Очевидный способ настройки температуры срабатывания и температуры отпускания различных терморегулирующих устройств предполагает помещение их в камеру тепла и холода, изменение температуры окружающей среды в этой камере в пределах заданного диапазона температур и подбор номиналов некоторых элементов (чаще всего резисторов), обеспечивающих пороги срабатывания устройств на включение исполнительных органов и гистерезис на их выключение (отпускание). Например, для того чтобы настроить устройство на срабатывание при заданной пониженной температуре диапазона рабочих температур поступают следующим образом. Устанавливают в камере тепла и холода температуру, равную заданной, помещают в камеру настраиваемое устройство целиком, выдерживают его при заданной температуре время, необходимое для стабилизации температуры всех элементов настраиваемого устройства, и одним из подборных (подстроечных, настроечных) элементов устройства добиваются его срабатывания. Затем увеличивают температуру в камере тепла и холода и, выдержав устройство при новой температуре время, необходимое для стабилизации температуры всех его элементов при новой температуре, настраивают его отпускание другим элементом. На эти операции уходит несколько часов. И это еще не все... Поскольку изменение настройки на отпускание влияет на температуру срабатывания (и иногда значительно), то обычно требуется по крайней мере еще одно изменение температуры в камере тепла и холода для уточнения температур срабатывания и отпускания и при необходимости для их подстройки. Можно, конечно, для экономии времени настраиваемое устройство переносить из одной камеры в другую с заданными температурами, но все равно выдержка устройства при заданных температурах неизбежна. Кроме того, при переносе устройства из камеры с отрицательной температурой в камеру с положительной температурой происходит отпотевание устройства и требуется дополнительное время, чтобы это устройство просушить. Методом последовательного приближения можно обеспечить требуемую точность срабатывания на включение нагревателя (выключение охладителя) при снижении температуры ниже допустимой и/или выключение нагревателя (включение охладителя) при превышении заданной температуры. При этом на весь процесс настройки уходит много времени - на неоднократные изменения температуры, выдержку устройства при заданных температурах, а также расходуется много электроэнергии, изнашивается дорогостоящее оборудование (расходуется ресурс камер тепла и холода).

Предложенный автором способ настройки рабочего диапазона температур терморегулирующих устройств не имеет прототипа, поскольку не требует помещения всего настраиваемого терморегулирующего устройства в камеру тепла и холода для его настройки и не требует неоднократного изменения температур в этой камере.

Задачей изобретения является упрощение способа настройки, повышение производительности, снижение энергетических затрат на настройку и уменьшение износа технологического оборудования - камер тепла и холода.

Эта задача решается тем, что предварительно выполняют имитатор конкретного датчика температуры настраиваемого терморегулирующего устройства с возможностью задавать значения параметров, соответствующих значениям параметров конкретного датчика температуры, определенным для заданных температур, подключают его к настраиваемому терморегулирующему устройству вместо конкретного датчика температуры и проводят настройку рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства, для чего устанавливают на имитаторе конкретного датчика температуры параметр, равный параметру конкретного датчика при одной из заданных температур, например минимальной, и одним из подстроечных элементов (резисторов) терморегулирующего устройства добиваются срабатывания терморегулирующего устройства, затем устанавливают на имитаторе конкретного датчика температуры значение параметра, равное параметру конкретного датчика для другой температуры, и другим подстроечным элементом терморегулирующего устройства добиваются отпускания терморегулирующего устройства, при необходимости производят подстройку срабатывания и отпускания терморегулирующего устройства, после чего отключают имитатор конкретного датчика температуры от терморегулирующего устройства и подключают к нему упомянутый конкретный датчик температуры.

Предложенный способ настройки диапазона рабочих температур терморегулирующих устройств не требует пояснительных чертежей.

Наиболее наглядно способ настройки диапазона рабочих температур терморегулирующих устройств можно рассмотреть на примере устройства, в котором в качестве датчика температуры использован терморезистор, хотя предложенный процесс настройки применим при использовании любого типа датчика температуры, будь то специальная полупроводниковая структура, диод, используемый в качестве датчика температуры, и т.п., а в качестве порогового устройства применен, например, триггер Шмидта либо компаратор напряжения с положительной обратной связью, имеющие настраиваемые резисторами порог срабатывания и порог отпускания (или гистерезис). Кроме того, предложенный способ настройки применим не только к релейным регуляторам, осуществляющим включение/выключение исполнительных органов, но и осуществляющим монотонное регулирование (например, плавное изменение мощности, выделяемой в нагревателе) в заданном диапазоне температур. При этом не обязательно, чтобы мощность, выделяемая в нагревателе при верхней заданной температуре, была равна нулю, а при нижней - максимальному значению. Возможна настройка, при которой при заданной максимальной температуре изделия мощность в нагревателе, пропорциональная выходному сигналу терморегулирующего устройства, не уменьшается до нуля, но и не перегревает изделие, а компенсирует естественные потери тепла, а при минимальной температуре мощность в нагревателе должна быть достаточной, чтобы изделие не остывало далее.

Настройка терморегулирующего устройства (без исполнительных органов, контролируя только его выходные сигналы) проводится предложенным способом в нормальных климатических условиях в следующей последовательности.

Первая операция - выполняется имитатор конкретного датчика температуры. Для терморезистора это может быть магазин сопротивлений, перекрывающий определенные значения сопротивления конкретного датчика температуры в заданном диапазоне температур. Могут использоваться два магазина сопротивлений, имитирующих крайние значения параметров конкретного термодатчика, и переключатель. Для прецизионных датчиков температуры значение их параметров для заданных температур может быть определено расчетным путем или по тарировочным характеристикам, а для датчиков температуры типа терморезисторов, обладающих большим разбросом зависимости сопротивления от температуры, - путем непосредственного измерения при заданных температурах окружающей среды.

Вторая операция - подключение имитатора конкретного датчика температуры к терморегулирующему устройству вместо этого датчика температуры.

Следующая операция - непосредственно настройка температуры включения (срабатывания) и температуры выключения (отпускания) исполнительных органов терморегулирующим устройством с имитатором конкретного датчика температуры (естественно, без исполнительных органов, контролируя только выходные сигналы терморегулирующего устройства). Производится настройка по аналогии с тем, как описано выше при настройке терморегулирующего устройства с использованием камеры тепла и холода, с той лишь разницей, что вместо изменения температуры окружающей среды, при которой происходит изменение сопротивления датчика температуры, просто устанавливают на имитаторе конкретного датчика температуры значение сопротивления, определенное для заданной температуры.

Так, чтобы настроить устройство с имитатором конкретного датчика температуры устанавливают на имитаторе этого датчика температуры значение параметра (сопротивление на магазине сопротивлений), соответствующее определенному ранее для заданной пониженной температуры. Одним из подстроечных элементов (резистором) устройства добиваются его срабатывания. Затем на имитаторе конкретного датчика температуры устанавливают значение параметра (сопротивление), соответствующее определенному для повышенной температуры, и настраивают отпускание устройства другим элементом (резистором). На все это требуется несколько минут, а то и менее. Поскольку изменение настройки температуры отпускания обычно влияет на температуру срабатывания, то требуется по крайней мере еще одно уточнение срабатывания и отпускания с использованием имитатора конкретного датчика температуры. На это уходит еще несколько минут. При этом не требуется камера тепла и холода, не требуется время для перестройки этой камеры тепла и холода с одной температуры на другую и выдержки устройства при заданных температурах. Таким образом, с имитатором конкретного датчика температуры методом последовательного приближения можно обеспечить требуемую точность срабатывания на включение нагревателя (выключение охладителя) при снижении температуры ниже допустимой и выключение нагревателя (включение охладителя) при превышении заданной температуры. По мере накопления опыта настройки устройств с имитатором датчика температуры время на настройку заметно уменьшается. Более того, процесс настройки происходит в нормальных и комфортных условиях, что также уменьшает время на настройку, дополнительно сказывается на повышении производительности и, естественно, упрощает процесс настройки несмотря на дополнительные операции, требующиеся для формирования имитатора конкретного датчика температуры, в то время как при настройке устройства в целом с конкретным датчиком температуры в камере тепла и холода доступ к элементам настройки затруднен, во время настройки вынужденно приходится открывать камеру тепла и холода, в ней возможны «сквозняки», что может повлиять на параметры конкретного датчика температуры и снизить точность настройки. При такой настройке максимальное количество времени уходит именно на изменение температуры в камере тепла и холода и выдержку настраиваемого устройства при заданной температуре, а время, затрачиваемое непосредственно на настройку, несоизмеримо мало. При этом накопление опыта настройки экономит пренебрежимо мало времени от общего времени и, кроме того, не позволяет оценить точность настройки, пока не будет проведен дополнительный цикл изменения температуры, при котором и определяются реальные пороги срабатывания и отпускания настроенного устройства.

Использование магазина сопротивлений в качестве прецизионного имитатора датчика температуры помимо высокой точности имитации сопротивления датчика температуры имеет дополнительный плюс, а именно возможность, изменяя сопротивление имитатора в небольших пределах относительно определенного сопротивления конкретного датчика температуры, оценить точность настройки устройства в целом, ведь изменение сопротивления имитатора для терморегулирующего устройства эквивалентно изменению температуры окружающей среды при использовании в устройстве конкретного датчика температуры.

Последняя операция настройки устройства - подключение конкретного датчика температуры к настроенному терморегулирующему устройству вместо имитатора конкретного датчика температуры.

На этом настройка заканчивается.

Точно так же может быть настроено терморегулирующее устройство с аналоговым выходным сигналом, который определяет мощность, поступающую в нагреватель при заданных значениях рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства.

Как видно из описания предложенного способа настройки, он существенно проще традиционного, многократно увеличивает производительность при настройке серийной аппаратуры, практически не требует энергетических затрат на процесс настройки (кроме возможных минимальных затрат при определении параметров конкретных датчиков температуры и на обеспечение работы самого настраиваемого терморегулирующего устройства) и сберегает ресурс камер тепла и холода. Все это подтверждает решение поставленной цели.

На предприятии изобретение предполагается использовать при настройке новых устройств, находящихся на стадии разработки конструкторской документации.

В заключение следует отметить, что совокупность признаков данного изобретения не встречалась ранее для решения поставленной задачи и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".

Литература

1. «Термосопротивление». «Термосопротивление полупроводниковое». Автоматизация производства и промышленная электроника. Изд. «Советская энциклопедия», Москва, 1965, том 4, стр.32, 33.

2. Терморезисторы КМТ-17в… ОЖ0.468.096 ТУ.

3. Кейн В.М. Конструирование терморегуляторов. Москва, «Советское Радио», 1971 г., стр.85.

4. Кейн В.М. Конструирование терморегуляторов. Москва, «Советское Радио», 1971 г., стр.104.

Изобретение относится к области стабилизации и регулирования температуры и может быть использовано при настройке устройств, обеспечивающих управление исполнительными органами (нагревателями и/или охладителями) в заданном диапазоне температур в режиме релейного или монотонного управления. Предварительно выполняют имитатор конкретного датчика температуры с возможностью задавать значения параметров, соответствующих значениям параметров конкретного датчика температуры, определенным для заданных температур, подключают его к настраиваемому терморегулирующему устройству вместо конкретного датчика температуры и проводят настройку рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства, для чего устанавливают на имитаторе конкретного датчика температуры параметр, равный параметру конкретного датчика при одной из заданных температур, и одним из подстроечных элементов устройства добиваются срабатывания терморегулирующего устройства, затем устанавливают на имитаторе конкретного датчика температуры значение параметра, равное параметру конкретного датчика для другой температуры, и другим подстроечным элементом терморегулирующего устройства добиваются его отпускания. Технический результат - упрощение способа настройки, увеличение производительности, снижение энергетических затрат на настройку и сохранение ресурса технологического оборудования - камер тепла и холода.

Способ настройки рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства, отличающийся тем, что предварительно выполняют имитатор конкретного датчика температуры настраиваемого терморегулирующего устройства с возможностью задавать значения параметров, соответствующих значениям параметров этого датчика температуры, определенным для заданных температур, подключают его к настраиваемому терморегулирующему устройству вместо конкретного датчика температуры и проводят настройку рабочего диапазона температур терморегулирующего устройства, для чего устанавливают на имитаторе конкретного датчика температуры параметр, равный определенному при одной из заданных температур, например минимальной, и одним из подстроечных элементов (резисторов) терморегулирующего устройства добиваются срабатывания терморегулирующего устройства, затем устанавливают на имитаторе конкретного датчика температуры значение параметра, определенное для другой температуры, и другим подстроечным элементом терморегулирующего устройства добиваются его отпускания, при необходимости производят подстройку срабатывания и отпускания терморегулирующего устройства, после чего отключают имитатор конкретного датчика температуры от терморегулирующего устройства и подключают к нему упомянутый конкретный датчик температуры.