Устройство для регулирования температуры в камере высокого давления Советский патент 1983 года по МПК G05D23/19 

2. Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры при изменении КПД камеры высокого давления, в него введены последовательно соединенные делитель и квадратор, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора, а также две элел трические цепи из последовательно йбединенных

выпрямителя и фильтра, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока, вход выпрямителя второй цепи к выходу измерительного трансформатора напряжения регулятора электрической мощности, входы делителя подключены к выходам фильтров, а соединен с третьим суммирующим входом сумматора.

1

Изобретение относится к автоматическому регулированию нагрева объектов при отсутствии информации о регулируемой температуре путем регулирования электрической мощностиj подводмой к объекту, и может быть использовано для регулирования температурных режимов установок для производства сверхтвердых материалов, изделий порошковой металлургии и др.

Известны регуляторы нагрева в камере высокого давления (КВД), состоящие из регулятора электрической мощности, нагрузкой которого является КВД. Регулирование температуры в камере высокого давления осуществляется за счет поддержания с требуемой точностью электрической мощности, поступающей в КВД в соответствии с экспериментально определенной функциональной зависимостью Э

Ч

f f(P), где 8 - температура в камере; jP - подводимая электрическая мощность р.

Недостатком этих регуляторов нагрева является низкая точность регулирования температуры из-за влияния внешних и внутренних факторов на указанную функциональную зависимость

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор температуры в КВД, содержащий последовательно соединенные задатчик, регулятор электрической мощности и КВД 2.

КВД, помещенная в прессовую установку, представляет собой нелинейный объект с распределенными параметрами, время установления статического режима в котором составляет 2-3 ч, что в большинстве случаев превосходит длительность технологических процессов. Температура в камере за это время может изменися на сотню и более градусов и зависит от степени прогревамасс КВД и прессовой установки, температуры окружающей среды, температуры охлаждающей установки жидкости, технического состояния КВД, точности регулирования подводимой электрическо мощности, длительности технологического процесса и др.

На точность поддержания температуры в КВД влияет также изменение КПД КВД, связанное с изменением электрического сопротивления обрабатываемого материала и нагревателей в процессе технологических измерений, происходящих под действием высокого давления и высокой температуры. Изменения К|1Д КВД связаны с тем что из-за конструктивных особенностей Камерь регулируют мощность., поступающую в КВД, а не выделяемую внутри камеры, вследствие чего регулируемая мощность распределяется в теле КВД и в нагреваемом материале внутри камеры согласно величинам их сопротивлений

,--,2

Р--зЧ«т «н)

J - ток, протекающий через ка меру;

RJ - электрическое сопротивление тела КВД совместно с подводящими проводами; Rf - электрическое сопротивление нагревателя внутри камеры. кпд камеры равен R-r 1-5, И) J.R) где R общее электрическое сопротивление КВД. Изменение R в процессе обработки приводит к изменению соотношения (значение R практически не изменяется в каждом конкретном цикле, а зависит от технического состояния камеры). В конечном итоге количество тепла, выделяемое внутри КВД, изменяется, что приводит к изменению температуры независимо от точности поддержания мощности. Это явление приводит к тому, что при значительных изменениях R, например при синтезе алмазов, отказываются от регулирования мощности и переключают регулятор с регулирования мощности на регулирование напряжения. Цель изобретения - повышение точности устройства для регулирования температуры в КВД. Поставленная цель достигается тем что в устройство для регулирования температуры в камере высокого давления, содержащее включающий в себя измерительные трансформаторы тока и напряжения регулятор электрической мощности, вход которого подключен к питающей сети, а выход, соединен с КВД, задатчик электрической мощности соединенный с первым суммирующим входом сумматора, выход которого подключен к управляющему входу регулятора электрической мощности, дополнительно введены последовательно соединеные датчик температуры металлического тела камеры высокого давления и усилитель с перестраеваемым . коэффициентом усиления, выход го подключен к вычитающему входу сумматора, а управляющий вход - к выходу задатчика электрической мощности, причем в устройство для регулирования температуры в КВД дополнительно введены последовательно соединенные делитель и квадратор., выход которого подключен к второму суммирующему вхо ду сумматора, а также две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителя и фильтра, причем вход выпрямителя первой цепи подклочен к выходу измерительного трансформатора тока, вход выпрямителя вто1024 рой цепи - к выходу измерительного трансформатора напряжения регулятора электрической мощности, входы делителя подключены к выходам фильтров, а выход соединен с- третьим суммирующим входом сумматора. На фиг. 1 представлена фунциональная схема устройства для регулирования температуры в КВД; на фиг. 2 то же, регулятор электрической мощности; на фиг. 3 то же, устройство для регулирования температуры в ка-мере высокого давления при изменениях электрической нагрузки; на фиг. же, упрощенное устройство для регулирования температуры при изменениях величины электрической нагруз- . ки; на фиг. 5 - принципиальная схема управляемого делителя усилителя с перестраиваемым коэффициентом усиления. Устройство для регулирования температуры в камере высокого давления (фиг. 1), которая состоит из матриц 1 между которыми помещается обрабатываемый материал 2, и помещена в прессовую установку 3, содержит регулятор k электрической мощности, вход которого подключен к питающей сети 5 а выход соединен с камерой высокого давления, задатчик 6 электрической мощности, соединенный с первым суммирующим входом сумматора 7 выход которого подключен к управляющему входу 8 регулятора электрической мощности, последовательно соединенные датчик 9 температуры металлического тела КВД и усилитель 10 с перестраиваемым коэффициентом усиления, состоящий из последовательно соединенных измерительного усилителя 11 и управляемого делителя 12, выход которого подключен к вычитающему входу сумматора 7, а управляющий вход к выходу задатчика 6. Регулятор электрической мощности (фиг. 2) содержит силовой трансформатор 13, первичная обмотка которого соединена через тиристорный исполнительный орган 14 с питающей сетью 5 а вторичная обмотка подключена к камере высокого давления. Датчик мгновенной мощности 15 подк/воченный посредством измерительных трансформаторов тока 16 и напряжения 17 к вто ричной обмотке силового трансформатора, -два параллельно вкл)Ьченных ии тегратора 18 и 19, входы которых соединены с выходом датчика мгновенной мощности, последовательно соединенные компаратор 20 и блок 21 выключения тиристорного исполнительного органа, силовые входы которого подключены параллельно исполнительному органу 1 и первичной обмотке силового трансформатора 13, счетный триггер 22, вход которого соединен с выходом компаратора, а выходы подключены к управляющим входам интеграторов, второй вход 8 компаратора 20 подключен к выходу сумматора 7. Устройство для регулирования температуры в КВД (фиг. 3) дополнительно содержит последовательно соединенные t$ делитель 23 и квадратор 2k, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора 7, а также две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителей 25 29 и 26 и фильтров 27 и 28, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока 16, вход выпрямителя второй цепи - к выходу измерительного транс-tj форматора напряжения 17, входы делителя 23 подключены к выходам фильтров, а выход соединен с третьим суммирующим входом сумматора 7. Упрощенное устройство для регули- з§ рования температуры в КВД (фиг. 4) дополнительно содержит поеледоветельно соединенные второй сумматор 29 и усилитель 30, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора 7, а также две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителей 25 и 2б и фильтров 27 и 28, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительн го трансформатора тока 1б, вход выпрямителя второй цепи - к выходу из мерительного трансформатора напряже ния 17, входы второго сумматора 29 подключены к выходам фильтров, Усилители 11 и 30, сумматоры 7 и 29, интеграторы 18 и 19 и компара тор 20 выполнены на базе операционн усилителей. Делительное устройство 23 и квадратор 2,А могут быть выполнены на основе умножительно-делител ных схем импульсного типа с сочетанием одноимпульсной и амплитудноимпульсной модуляции входных сигналов или на основе аналоговых множительно-делительных схем повышенной точности. Управляемый делитель 12 (фиг. 5) содержит резисторы 31-35, полевые транзиторы Зб и 37 опера1008712ци ре по гд пе ра вн ко на в КВ ду им во вн нный усилитель 38. Коэффициент пеачи, этого делителя определяют, исьзуя выражение )Sdn R(32) Чз4-) значения резисторов 32 и Uartn максимальное значение сигнала управления при котором полевой транзистор Зб полностью запирается;сигнал управления, сформированный из сигнала задания Ug и напряжения смещения, которое подбирают таким образом. Чтобы обеспечить требуемый диапазон изменения коэффициента передачи делителя и направления его изменения. Устройство для регулирования тематуры в камере высокого давления отает следующим образом. При подаче электрической мощности три КВД выделяется определенное ичество тепла, которое расходуется нагревание материала, помещенного амеру, а также на нагревание тела и прессовой установки, т.е. межнагреваемым материалом и телом КВД ется практически идеальный тепло- . контакт (электрическая энергия трь КВД передается за счет электрического контакта между телом КВД и нагреваемым материалом). Однако, так как величина площади теплового контакта незначительная, то основное количество тепла расходуется на нагревание материала внутри КВД. После установления динамического равновесия между количеством тепла, выделяемым внутри КВД, и используемым на поддержание установившейся температуры в камере и расходуемым на нагревание тела камеры и прессовой установки, температура в камере становится квазистационарной и дальнейшее медленное увеличение ее происходит за счет уменьшения количества тепла, отводимого в тело КВД, вследствие увеличения его температуры. Установлено, что температура тела КВД, начиная с некоторого момента времени, изменяется по тому же закону, что и внутри КВД, т.е. изменег ние температуры тела КВД, начиная с этого момента, и температуры внутри КВЛ - пропорциональны. Время наступления этого момента для разных точек, тела КВД различно и зависит от координат точки внутри тела КВД. Пропорциональность изменений температур внутри КВД а квазистационном р жиме позволяет формировать корректирующий сигнал, который практически устраняет квазистационарный режим, превращая его в стационарный. Для этого измеряют температуру тела КВД датчиком 9. Сигнал датчика усиливают усилителем 10, коэффициент передачи которого выбирают таким, чтобы полное изменение температуры тела КВД, начиная с начала квазистационарного режима внутри КВД, соответствовало такому изменению задающего сигнала мощностиJ которое бы изменяло температуру в КВД на величину ее изменения в квазистацйонарном режиме, и вычитают его из сигнала задатчика. При этом величина мощности должна из меняться так, чтобы температура внут ри КВД, начиная с момента возникнове ния квазистационарного режима, оставалась постоянной. Установленную величину мощности непрерывно уменьшают в соответствии с повышением температуры тела КВД, при этом повышение температуры .в камере, связанное с из менением теплосодержания тела КВД, компенсируется уменьшением подводимой мощности так, что температура в камере остается постоянной. Для того, чтобы в установившемся режиме корректирующий сигнал не оказывал вл яния на статическую регулировочную характеристику 9 f (Р), задающий сигнал U(j предварительно увеличивают на величину возможного изменения корректирующего сигнала. В этом слууае управляющий сигнал регулятора мощности Ug представляет собой сумму и g - (t), которая в статическом режиме переходит в равенств Ug и,, так как ди (5 при 00. . Для настройки цепи коррекции в процессе испытаний КВД определяют из менение температуры внутри КВД --60 и тела КВД - лТ в квазистационарном режиме и по полученным значениям Д© и .ЛТ определяют коэффициент Г1ередачи между этими температурами К д9 /дТ 10 28 сходя из коэффициента передачи КВД о регулируемой, температуре опредеяют требуемое значение дополнительной мощности, с учетом которой температура начала каазистационарного режима будет соответствовать стаионарной, К.-Кд коэффициент передачи, КВД; коэффициент передачи датчика температуры тела КВД. Из полученных значений определяют коэффициент настройки усилителя 10 10 к -Кс в большинстве случаев, вследствие зависимости теплофизических свойств обрабатываемого материала в КВД от регулируемой температуры, статическая характеристика 9 f(P) является нелинейной, т.е. при изменениях регулируемой температуры в широких пределах изменяется величина коэффициента передачи КВД, исходя из которого определяют коэффициент передачи усилителя 10. Это приводит к тому, что при различных регулируемых температурах корректирующая цепь не обеспечивает требуемой компенсации мощ- ности, вызывая либо недокомпенсацию, либо перекомпенсацию, что вызывает появление статических и динамических погрешностей. Для устранения этого явления необходимо изменять коэффициент передачи усилителя 10 в соответствии с изменением коэффициента передачи объекта. Эту задачу выполняет управляемый делитель 12, входящий в состав усилителя 10, который изменяет свой коэффициент передали в соответствии с задающим сигналом мощности. Высокая статическая и динамическая точность регулирования температуры в КВД достигается при наличии регулятора мощности, обеспечивакмдем высокую статическую и динамическую точность. Регулятор электрической мощности (фиг. 2) имеет статическую точность не менее 0,1, жесткую регулировочную характеристику и инвариантен к возмущениям, поступающим от сети и нагрузки. Принцип .работы регулятора электрической мощности основан на фазовом методе управления силовыми тирис910торами с включением их в начале пояупериода напряжения питающей сети ,и принудительным выключением в требуемый момент. В момент перехода на, пряжения питающей сети 5 через нуль включается один из силовых тиристоров исполнительного органа Т и пропускает электрическую мощность через трансформатор 13 в нагрузку, при этом она измеряется датчиком мгновенной мощности 15, сигнал с-которог поступает на один из интеграторов, работающих в данный момент.(второй интегратор в это время обнулен и отключен). Мгновенные значения мощноети интегрируются и в момент равенств заданного значения и сигнала, накопленного в интеграторе, срабатывает компаратор 20 и выдает импульс на блок 21 выключения исполнительного Органа, который-и запирает включенны силовой тиристор. Одновременно им;пульс компаратора 20 опрокидывает ,счетный триггер 22, который отключает и обнуляет ранее работавший интегратор и подключает второй интегратор к выходу датчика мгновенной мощности. В следующий полупериод напряж ния питающей сети работа регулятора мощности повторяется. Для устранения влияния изменения Rj и связанного с ним КПД на температуру в камере высокого давления в регуляторе корректируют величину мощ ности по сигналам, пропорциональным току и напряжению так, чтобы изменения R КПД не влияли на регулируе.мую температуру. Если влияние КПД на температуру в камере представить как влияние какого-то фиктивного звена, включенного между регулятором мощности и камерой высокого давления, то для ком.пенсации действия этого звена в регу пятор необходимо ввести звено с обратной передаточной характеристикой. Из выражения для КПД (1) обратная характеристика равна J j и и - среднее значение тока и иапрйжения во вторичной цепи силовог трансформатора. Раскладывая это выра жение в степенной ряд и ограничи2ваясь тремя членами разложения, получим требуемого функциональную зависимость мощности Р от КПД ПА)( (3) при которой кпд не будет оказывать влияния на регулируемую температуру. Из выражения (З) видно, что корректирующий сигнал формируется согласно сумме - Чтг Vu что и реализовано в устройстве, ставленном на фиг. 3. В данном регуляторе переменные сигналы тока и напряжения выпрямляются, усредняются на фильтрах и поступают на делительное устройство 23. Сигнал, полученный при делении сигнала тока на сигнал напряжения, дополнительно нормируется коэффициентом К, пропорциональным Р , величина которого принимается постоянной, и подается на сумматор 7 и квадратор 2. Выходной сигнал квадратора также подается на сумматор 7Теоретический анализ и практические исследования показали, что выражение (4) с достаточной точностью можно заменить выражением кор ( Т что позволяет в автоматическом регуляторе температуры (фиг. 5) исключить квадратор, изменив при этом в делительном устройстве коэффициент нормирования К на (К + К2). Установлено, что операцию деления - можно заменить операциями суммйрованиявычитания при изменении Ru в пределах i 20 от номинальной величины при нормированных значениях Э и U (и и и при номинальном сопротивлении нагрузки RHHOM принимаются за условную единицу 3 и 1), при этом ±-,.Э Данные приближения реализуются в упрощенном устройстве регулирования температуры (фиг. 4), в котором средние значения сигналов тока и напряжения при R ном приравниваются, принимаются за условную единицу и складываются на сумматоре в соответствии с формулой (6). Выходной сигнал сумматора нормируют в соответствии с коэффициентом () на усилителе 30 и подают на сумматор 7Испытания автоматического регулятора температуры в камере .высокого давления, проведенные на реальном оборудовании, показали, что он обеспечивает регулирование температурзы с $ точностью не менее 10,5 при точности прототипа ± 5., при этом практически полностью устраняется квазистационарный режим. Кроме того, полностью устранены динамические пульсации темпе- 1®

ратуры, связанные с возмущениями в питающей сети.

Использование предлагаемого автоматического регулятора температуры в камере высокого давления позволит получить высокую точность и качество регулирования, что окажет существенное влияние на количество и качество производимой продукции.