Устройство для регулирования температуры в термостате Советский патент 1984 года по МПК G05D23/19 

11 Изобретение относится к системам автоматического регулирования температуры и может быть использовано в различных термостатах с инерционными объектами термостатирования при повьшенных требованиях. Известно устройство для регулирорования температуры, имеющее резистивный термочувствительный мост, к выходной диагонали которого подключен первый блок управления, связанный с основным нагревателем, и форси рующий нагреватель. При этом в одно из плеч моста последовательно с основным резистором включен дополнительный резистор, параллельно которо му подключен вход второго блока управления 1 . Известно также устройство для регулирования температуры, имеющее соединенные последовательно задатчик температуры, блок управления, исполнительный злемент с подключенным к нему основным нагревателем и форсирующий элемент с форсирующим нагревателем, а также преобразователь уровня и сумматор, к одному из входо которого подключен датчик температуры, а к выходу - другой вход блока управления, причем вход преобразователя уровня связан с выходом форсирующего элемента 2 J. В этих устройствах время выхода с заданной точностью на рабочий тепловой режим сокращается за счет того, что момент первого отключения задается при регулировке схемы так, чтобы он происходил при накоплении внут ри термостата количества тепла, соответствующего скорейшему выходу на режим при распределении тепла по объ ему термостата. При расположении тер модатчика вблизи термостатирования такие схемы обеспечивают высокую точ ность поддержания температуры объекта. Известно термостабилизирующее уст ройство, содержащее два термодатчика, размещенные соответственно на нагревателе и на объекте и включенны в смежные плечи моста, в другие смеж ные плечи которого подключены задаиощие резисторы, а во входную диагональ - источник постоянного напряжения. В нем имеются три компаратора два элемента И-НЕ и последовательно соединенные ключевой элемент и нагре ватель. Выход первого элемента И-НЕ соединен с входом ключевого элемента 0 быход второго - с первым входом первого элемента, второй вход которого соединен с выходом первого компаратора, второй вход которого подключен к выходной диагонали моста в точке подсоединения,термодатчика нагревателя, первый вход второго элемента И-НЕ соединен с выходом второго компаратора, второй вход которого связан с вторым входом первого компаратора, второй вход этого элемента соединен с выходом третьего компаратора, второй вход которого подключен к выходной диагонали места в точке подсоединения термодатчика объекта. В этом устройстве устойчивость поддержания температуры достигается вследствие того, что температура нагревателя удерживается в определенном (не широком) диапазоне температур, определяемом опорными напряжениями компараторов. Долговременная точность поддержания температуры объекта обеспечивается тем, что на сигнал датчика объекта не влияет сигнал датчика нагревателя З. Однако для повьшения устойчивости поддержания температуры в данном устройстве необходимо сужать диапазон температуры нагревателя, что приводит к уменьшению интервала температур внешней среды, при которых устройство обеспечивает заданную точность поддержания температуры объекта. Кроме того, в устройстве велико время выхода на рабочий тепловой режим. Это объясняется тем, что первое отключение нагревателя происходит при достижении им верхнего значения заданного диапазона температур, а затем это значение температуры нагревателя поддерживается до момента достижения объектом номинальной температуры. При таком построении схемы устройства его нельзя применять в регуляторе температуры пропорционального типа. Известно устройство, в котором для повьщ1ения устойчивости поддержания температуры датчики температуры объекта и нагревателя через общую цепь соединены с исполнительной частью схемы терморегулирования. В нем момент первого выключения нагревателя или снижения мощности нагрева в пропорциональных нагревателях определяется соотношением номиналов элементов (резисторов), входящих в цепи, в которые включены датчики температуры 4 . Однако точность поддержания температуры в таком устройстве -снижается на исполнительную часть схемы терморегулирования. Поэтому электрйческий сигнал на входе исполнительнс части неточно соответствует темпера-туре объекта термостатирования, появляется погрешность поддержания тем пературы объекта, которую нельзя учесть в условиях изменения температуры окружающей среды ввиду непостоя ства разницы температур датчиков. Наиболее близким к предложенному по технической сущности является уст ройстве для регулирования температуры, содержащее связанный с нагревателем первый датчик температуры, включенный в одно из плеч моста, вер шина которого подключена к входу ком паратора, выход которого через регулирующий орган соединен с нагревателем, В нем имеются также датчик температуры, связанный с объектом, постоянный резистор и потенциометр, через который второй датчик температуры включен параллельно термочувствительному плечу моста, а постоянный резистор - параллельно смежному с ним плечу моста, при зтом подвижный контакт потенциометра соединен с вто рым входом компаратора. Известное устройство позволяет изменять момент первого отключения нагревателя и TeM самым добиваться минимального времени выхода на рабочий тепловой режим без изменения номиналов элементов схемы, путем регулирования средней точки потенциометра, в случаях изменения ,теплоемкости объекта термост тирования или конструкции термостата 5. Однако из-за влияния сигнала датчика температуры нагревателя известное устройство не может обеспечивать высокую точность поддержания темпера туры объекта. Целью изобретения является повьше ние точности поддержания температуры объекта термостатирования при обеспечении высокой устойчивости поддержания температуры объекта и минималь ного времени выхода на тепловой рабо чий режим в условиях быстроменяющихс температур окружающей среды. Поставленная цель достигается тем что в устройство, содержащее датчик температуры объекта, датчик температуры нагревателя, потенциометр, выводы которого под&оединёны к датчикам температуры, компаратор, первый вход которого соединен с задатчиком темпе ратуры, а выход -.соединенными последовательно исполнительньм элементом и нагревателем, дополнительно введены суммирующий усилитель, дифференцирующая , ключ, переключатель и блок задержки, причем датчик температуры объекта и подвижной контакт потенциометра через соответствующие контакты переключателя подсоединены к первому входу суммирующего усилителя, датчик температуры нагревателя через дифф.еренцирующую RC-цепь и ключ подсоединён к второму входу суммирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу компаратора, вход блока задержки соединен с датчиком температуры объекта, а его выход - с управляющими входами ключа и переключателя, Кроме того, блок задержки содержит другие ключи, компаратор, дифференцирующую RC-цепь, а также первый и второй резистивные делители и конденсатор, причем вход блока задержки связан с входом его дифференцирующей РС-цепи, связанной выходом с первым входом его компаратора, и с первым входом его ключа, вторым входом подключенного через последовательно соединенные второй резистивный делитель и конденсатор к источнику питания, связанному через первый резистивный делитель с вторьм входом компаратора, выходом соединенного с выходом блока. Для поддержания-температуры объ- екта термостатирования ,с высокой точностью необходим сигнал, точно соответствующий температуре объекта. , Поэтому в устройство введен переключатель, который после выхода термостата на рабочий тепловой режим отключает от исполнительной части схемы . сигнал, идущий от подвижного контакта потенциометра и состоящий из сигналов датчиков температуры объекта и нагревателя, и подключает сигнал только датчика температуры объекта. Для достижения высокой динамиче- ской устойчивости поддержания температуры в термостате используется не полный сигнал датчика температуры нагревателя, а только динамическая составляющая этого сигнала. С целью сохранения динамической составляющей сигнала датчика температуры нагревателя в устройство введена дифференцирующая RC -цепь, через которую датчик температуры на гревателя подключен к исполнительно части схемы. Ключ в этой цепи введен для того чтобы отсоединить дифференцирующую RC-цепь от схемы во время выхода те мостата на рабочий тепловой режим во избежание затягивания процесса. Этим обеспечивается минимальное врем выхода на рабочий режим. Введение в устройство суммирующего усилителя между датчиками температуры и исполнительной частью схе мы позволяет при наличии дифференцирующей RC -цепи вырабатывать управляющий сигнал, равный сумме напряжеНИИ датчиков температуры объекта и динамической составляющей сигнала датчика температуры нагревателя, что обусловливает высокую точность и стабильность поддержания температу ры объекта. Подключение цепей датчиков температуры объекта и нагревателя к разным входам суммирующего усилителя позволяет исключить взаимное влияние электрических цепей датчиков и упрос тить регулировку устройства. Введение в устройство задержки, вход которого подключен к да чику температуры объекта, а выход со единен с управляющими контактами ключа и переключателя, обеспечивает своевременное срабатывание переключателя и ключа после первого отключения нагревателя и окончание переходного теплового процесса. На фиг. 1 приведена структурная схема одного из возможных вариантов выполнения предложенного устройства для регулирования температуры термос тата; на фиг. 2 - принципиальная схе ма блока задержки; на фиг. 3 - временные диаграммы температур нагревателя и объекта. Устройство для регулирования температуры в термостате (фиг. 1) содержит датчик 1 температуры объекта, датчик 2 температуры нагревателя, потенциометр 3, блок 4 задержки, диф ференцирующую цепь 5, переключатель 6, ключ 7, суммирующий усилитель 8, компаратор 9, задатчик 10 температуры, исполнительный элемент 11, нагреватель 12. Датчики 1 и 2 температуры могут быть выполнены, например, в виде включенных последовательно терморезистора и резистора, точки соединения каждого из которых являются выходами датчиков температуры. Свободные концы терморезисторов подключены к положительному полюсу источника питания, а свободные концы резисторов - к его отрицательному полюсу. Терморезистор датчика 1 закреплен непосредственно на объекте термостатирования, а терморезистор датчика 2на нагревателе 12 способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт с этими элементами. Нагреватель 12 служит для нагрева термостата и может быть выполнен в виде обмотки из провода с высоким сопротивлением, расположенной на корпусе термостата, который находится внутри теплоизолирующей оболочки. Терморезисторы датчиков 1 и 2 должны иметь близкие характеристики, но их полная идентичность необязательна. Резисторы датчиков 1 и 2 могут подбираться по номиналу или быть переменными. Выход датчика 1 температуры объекта Подключен к одному выводу потенциометра 3 и далее через один из контактов переключателя (1-е положение переключателя) к первому входу суммирующего усилителя 7. К второму контакту переключателя (П-е положение переключателя) подсоединен подвижный контакт потенциометра 3. Выход датчика 2 температуры нагревателя подключен к другому свободному выходу потенциометра 3 и далее к контакту ключа 7 через дифференцирующую цепь 5. Постоянная времени дифференцирук)щей RC -цепи должна быть близка к постоянной времени переходного теплового процесса (передачи тепла внутри термостата от нагревателя к объекту термостатирования). Потенциометр 3 определяет долю влияния каждого из датчиков 1 и 2 на вход исполнительной части схемы при выходе на рабочий тепловой режим и еличину превышения температуры нагревателя и корпуса термостата над оминальной температурой объекта ермостатирования. Переключатель 6 и ключ 7 предназнаены для смены режимов работы исполнительной части схемы. Переклкп1ате:и. 6 может представлять собой реле с переключающей группой контактов, группу электронньк ключей и-т.п. В качестве ключа 7 может быть исполь зовано реле, электронный ключ и т.д. Управляющие входы переключателя 6 и ключа 7 подсоединены к выходу блока А зтравления, вход которого подключен к выходу датчика 1 темпере туры объекта. Блок 4 задержки служит для получения напряжения, подаваемого на управляющие входы переключателя 6 и ключа 7 при выходе термостата на рабочий режим после окончания теплового переходного процесса внутри термостата . Блок задержки (фиг. 2) содержит другой компаратор 13, другой ключ 14 дифференцирующую RC-цепь 15. На один вход компаратора 13 подается опорное напряжение со средней точки первого резистивного делителя 16. Другой вхо компаратора 13 соединен с выходом дифференцирующей цепи 15 и с входом ключа 14. К управляющему входу ключа 14 подсоединена средняя точка резистивного делителя 17, который через конденсатор 18 подключен к источнику питания. Компаратор 13 может быть выполнен в виде обычного интегрального компаратора, например, операционного усилителя и т.п. Ключ 14 может представ лять собой реле, электронный ключ и т.д. Входом, блока задержки (фиг. 2) является вход дифференцирующей цепи 15, а выходом - выход компаратора 13. Дифференцирующая цепь 5 (фиг. 1) предназначена для исключения постоян ной составляющей сигнала, поступающего на суммирующий усилитель 8 от датчика 2 температуры нагревателя (через ключ 7). Суммирующий усилитель служит для суммирования сигнала датчика 1 температуры объекта и переменной состав ляющей сигнала датчика 2 температуры нагревателя. В качестве суммирующег усилителя 8 может быть выбран усилитель с высоким входным сопротивлени для исключения взаимного влияния цепей, подключенных к его входам. Он может быть выполнен, например, на двух операционных усилителях по известным схемам включения. Термодатчнки датчика 1 объекта и датчика 2 нагрёвателя (фиг. 1) регулируют так, чтобы при изменении температуры, равной номинальной температуре объекта термостатирования, напряжения на выходах датчиков 1 и 2 были равны. Для этого подбирают величины сопротивлений резисторов, включенных последовательно с терморезисторами. Подвижный контакт потенциометра 3 устанавливают так, чтобы напряжение на этом контакте при достижении значения, вызывающего -первое отк.шочение нагревателя 12, соответствовало такому соотношению напряжений на выходах датчиков температуры (и соответственно температур объекта и нагревателя), при котором после отключения нагревателя 12 на объекте термостатирования установилась температура, равная номинальной (фиг. 3, точка А). Задатчик 10 температуры регулируют так, чтобы срабатывание компаратора 9 при установившемся тепловом режиме термостата (фиг. 3, ) происходило при температуре объекта, равной номинальной. Порог срабатывания компаратора 13 блока 4 задержки устанавливают так, чтобы сигнал на выходе блока 4 задержки появлялся по окончании теплового переходного процесса с термостате после первого отключения нагревателя (фиг. 3, . После включения устройства на управляющем входе ключа 14 (фиг. 2) появляется напряжение, открьшающее этот ключ до момента заряда конденсатора 18. Постоянная времени цепи (18 и 17) выбрана так, что за время заряда конденсатора 18 конденсатор 19 цепи, 15, подключенный к выходу датчика 1 (фиг. 1), успевает зарядиться до напряжения датчика 1. При этом напряжение на входе компаратора 13 оказывается равным нулю, т.е. меньше опорного напряжения, задаваемого цепью 15. На выходе-компаратора 13 устанавливается некоторое напряжение, которое подается на управляющие входы перек. лючателя 6 и ключа 7 (фиг. 1). Переключатель 6 подключает к первому входу суммирующего усилителя 8 датчик 1 (1-е положение переключателя), а ключ 7 замыкается, подсоед1шяя к второму входу суммирующего усилителя 8 выход дифференцирующей цепи 5. На выходе суммирующего усилителя 8 напряжение оказывается меньше напря жения задатчика 10 и на выходе комп ратора устанавливается напряжение, под действием которого исполнительный элемент 11 включает нагреватель 12. При необходимости исключения вли яния начального скачка напряжения к выходу дифференцирующей цепи 5 можн подключить разрядную цепь, подобную примененной в блоке 4 задержки (13, 18 и 17 на фиг. 2). При разогреве термостата температура нагревателя и корпуса повышается быстрее, чем температура объекта термостатирования. Кривая 1 (фиг.З) соответствует температуре объекта те мостатирования; кривая 2 - температуре нагревателя, кривая 3 отражает изменение температуры, соответствующ напряжению на подвижном контакте потенциометра 3; tp - t - время режима разогрева термостата; t ., - t время переходного теплового процесса; t t2 - время рабочего режима термостатирования; Т - номинальная температура объекта термостатировани При повышении температуры объекта появляется изменение напряжения датч ка 1. Изменяющаяся во времени составляющая этого напряжения проходит через дифференцирующую цепь 15 (фиг и поступает на вход компаратора 13, Так как напряжение на входе компаратора 13 оказывается больше опорного, на выходе блока А задержки устанавли вается напряжение, воздействием кото рого переключатель 6 подключает к первому входу суммирующего усилителя 8 подвижной контакт потенциометра 3 (П-е положение переключателя), а ключ отсоединяет дифференцирующую цепь 5 от второго входа суммирующего усилителя 8. Напряжение на подвижном контакте потенциометра (с учетом коэффициента передачи усилителя 8) меньше напряжения задатчика 10, компаратор 9 не изменяет своего состояния, поэтому нагреватель 12 остается включенным. Нагрев термостата продолжается до тех пор, пока напряжение на подвижном контакте потенциометра 3 не достигнет значения (с учетом коэффициента передачи усилителя 8) напряжения задатчика 10, после чего на выходе, компаратора 9 устанавливается напряжение, под воздействием которого исполнительный элемент 11 отключает нагреватель 12. С этого момента (фиг, 3, t) начинается перераспределение температур внутри термостата без воздействия нагревателя (фиг. 3), температура нагревателя падает (кривая 2), температура объекта растет (кривая 1). Скорость нарастания температуры объекта, а соответственно и скорость измерения напряжения на выходе датчика 1, уменьшается и в конце переходного теплового процесса становится близкой к нулю. В этот момент времени (фиг. 3, 1„)на выходе блока 4 задержки установится напряжение, под действием которого переключатель 6 подключит к первому входу суммирующего усилителя 8 выход датчика 1 температуры объекта (1-е положение переключателя), а ключ 7 замкнется, подсоединяя к второму входу суммирующего усилителя 8 датчик 2 температуры нагревателя через дифференцирующую цепь 5. Если при настройке устройства положение подвижного контакта потенциометра 3 выбрано правильно, то переключение с начального режима работы (фиг. 3, на рабочий режим (фиг. 3, )пpoизoйдeт при достижении объемом термостатирования номинальной температуры TO Начиная с момента времени tj выхода на рабочий режим на входы суммирующего усилителя 8 поступают напряжение с выхода датчика 1 температуры объекта и динамическая составляющая напряжения с выхода датчика 2 температуры нагревателя. Если температура объекта и нагревателя не отклоняются от TO , напряжения на ьйм выходах блока ч задержки, суммирующего усилителя 8 и компаратора 9 не изменяются, поэтому нагреватель остается выключенным. При быстрых изменениях температуры корпуса термостата изменится температура нагревателя и появится динамическая соатавляющая напряжения с выхода датчика 2 на втором входе суммирующего усилителя 8, сработает исполнительная часть .схемы и включится нагреватель 12. При медленных изменениях температуры термостата, вызьгаающих отклонение температурь объекта от номинальной и неприводящих к появлению динамической составляющей напряжения на выходе дифференцирующей цепи 5, изменяется напряжение на выходе датчика 1 температуры объекта и соответственно на выходах суммирующего усилителя 8, компаратора 9, приводящее к срабатыванию исполнительного элемента 11.

Включение (выключение) нагревателя приводит к изменению температуры нагревателя и корпуса термостата и появлению динамической составляющей сигнала на входе суммирую;щего усилителя, приводящей к отключению (включению) нагревателя. Таким образом происходит постепенное (ступенчатое) изменение температурытермостата, исключающее значительные отклонения температуры объекта от номинальной, связанные с инерционностью процессов теплообмена.

Благодаря динамической устойчивости поддержания температуры объекта напряжение на входе блока 4 задержки не изменяется со скоростьюпри которой могут происходить срабатывания блока 4 задержки и изменение положен1 я переключателя. 6 и ключа 7.

Использование предложенного устройства регулирования температуры в тер1- остатах позволит повысить точность поддержания температуры объект термостатирования в несколько раз за счет исключения погрешности измерения температ5фы объекта, вносимой датчиком температуры нагребателя, что предотвращается актом сравнительных испытаний; Уменьшить время выхода на рабочий тепловой режим вследствие снижения теплоемкости корпуса термостата без потери стабильности поддержания температуры объекта; упростить разработку термостата за счет того, что исключается необходимость расчета (или упрощается расчет) теплопроводящих свойств корпуса, помещенного внутри теплоизолирующей оболочки, и выбора 1 места расположения объекта термостатирования. В}(од

Фиг. 2 Выкод

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ТЕРМОСТАТЕ, содержащее датчик температуры объекта, датчик температуры нагревателя, потенциометр, выводы которого подсоединены к датчикам температуры, компаратор, первый вход которого соединен с задатчиком температуры, а выход с соединенными последовательно исполнительным элементом и нагревателем, отличающееся тем, что, с целью повьш1ения точности поддержания температуры объекта, в него дополнительно введены суммирующий усилитель, дифференцирующая RC-цепь, ключ, переключатель и блок задержки, причем датчик температуры объетста и подвижный контакт потенциометра через соответствующие контакты переключателя подсоединены к первому входу суммирующего усилителя, датчик температуры нагревателя через дифференцирующую RC-цепь и ключ подсоединен к второму входу суммирующего усилителя, выход которого подключен к второму входу компаратора, вход блока задержки соединен с датчиком температуры объекта а его выход - с управляющими входами переключателя и ключа. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок задержки содержит другие ключи, компаратор и дифференцирующую RC-цепь, а также первый и второй резистивные делители и конденсатор, причем выход блока задержки связан с входом диф4 ференцирующей RC -цепи, связанной выходом с первым входом его компаратоСХ , с первым входом его ключа, вторым ра входом подключенного через последовательно соединенные второй резистивный делитель и конденсатор к источни-. ку питания, связанному через первый резистивный делитель с вторым входом компаратора, соединеного выходом с выходом блока.