Способ программного регулирования температуры и устройство для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G05D23/19 

2. Устройство для программного регулирования температуры по п. 1, содержащее датчик температуры объекта, задатчик опорного сигнала, подключенный к первому входу блока уравнения, последовательно соединенного с регулирующим органом, о т л; и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и надежности устройства, оно содержит находящийся VB тепловом контакте с объектом контей2нер с эталоиньм веществом, коэффициент температуропроводности которого зависит от температуры, и датчик температуры эталонного вещества, при этом датчики температуры объекта и эталонного вещества включены по дифференциальной схеме и подключены к второму входу блока сравнения, а задат чик опорного сигнала выполнен в виде источника постоянного сиг .нала. : . ,

1. Способ программного регулирования температуры, включающий измерение температуры объекта, формирование задающего сигнала и формирование управляющего воздействия, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повьшения точности, задающий сигнал формируют как разность между сигналом, пропорциональным температуре объекта, и сигналом, пропорциональным температуре вещества эталонного i тела, приведенного в тепловой контакт с объектом, а управляющее возСЛ С действие формируют как разность между указанной разностью и опорньм сигналом, который в процессе регулирования поддерживают постоянным.

Л .... Изобретение, относится, к системам программного регулирования температуры сред: или тел и может , , . быть использовано в.химической,металлургической, пищевой.и.других / отраслях промышленности, а также при изучении физико-химических и других свойств.веществ.

Цель изобретения - повышение точности и надежности программного регулирования температуры.

На фиг. 1 изображенафункциональная схема си.стемы программного регулирования температуры; на фиг..2схема устройства для программного регулирования температуры.

Система содержит блок 1 сравнения, задатчик 2 опорного сигнала, измерительный блок 3, усилительно-преобразовательный блок 4, ре гулирующий орган 5,. ав.томатический регулятор 6 температуры, объект 7 регулирования, эталонное тело 8. К первому входу блока 1 сравнения подключен задатчик 2 опорного сигнала а к второму входу - измерительный блок 3, реализующий дифференциальную схему включения датчщсов температуры объекта 7 регулирования и эталонного тела 8. Выход блока сравнения последовательно подключен к входу усилительно-преобразовательного блока 4 и ругулирующему органу 5 автоматического регулятора 6, формирующего управляющее воздействие на объект 7 регулирования . Эталонное тело 8 находится в тепловом контакте с объектом регулирования, а чувствительные элементы, измерительного блока 3 - с объектом 7 регулирования и эталонным телом 8 соответственно. В зависимости от конкретных условий реализации предлагаемого способа функции отдельных элементов могут быть совмещены в одном блоке. В случае использования регулятора прямого действия усилительно-преобразовательный блок может отсутствовать.

Устройство для программного регулирования температуры содержит электронагреватель 9, слой 10 теплоизоляции, отверстия 11-13 меднрго блока, контейнер 14, эталонное вещество (тело) 15,датчики 16 и 17

температуры эталонного вещества и объекта регулирования соответственно, мост 18 переменного тока, пере менный резистор 19, контрольный прибор 20, датчик 21 действительной температуры объекта, самопишущий потенциометр 22.. Объект 7 регулирования выполнен в виде массивного медного блока, снабженного электронагревателем 9 и изолированного от внешней среды слоем ТО теплоизоляции. В отверстии 11 медного блока размещено эталонное тело В, выполненное в виде контейнера 14, заполненного эталонным веществом 15, в которое погружен датчик 16 температуры. Другой датчик 17 помещен в отверстии 12 медного блока и находится в непосредственном теп-ловом контакте с блоком. 3 В качестве датчиков 16 и 17 использованы термореэисторы, включен ные по )ференциалы1ой схеме в плечи моста 18 переменного тока, совмещенного в себе функции блока 1 сравнения и задатчика 2 скорости нагрева. Задающим элементом мостовой схемы служит переменный резистор 19, а контрольным прибором вольтметр 20 переменного тока. К измерительной диагонали моста 18 подключен вход усилительно-преобразовательного блока 4, выполненного на базе стандартного усилителя Ф-35 применяемого в схемах автоматическо го регулирования температуры малогабаритных термостатов. Нагреватель 9 подключен к выходу усилителя 4 и выполняет функцию регулирующего органа 5. В отверстии 13 медного блока могут помещаться различные объекты, подвергающиеся программированному тепловому воздействию, и датчики температуры. В режиме испытаний устройства в отверстии 13 помещался датчик 21 температуры (горячий спаймедь-константано вой термопары), соединенный с самопишущим потенциометром 22 типа КСП-4 для контроля действительного изменения температуры объекта регулирования во времени. Способ осуществляется следующим образом. С помощью эадатчика 2 опорного сигнала устанавливают требуемое значение начальной скорости изменения температуры объекта 7 регулирования. Соответствующий постоянный опорный сигнал Е подают на первый вход блока . 1 сравнения, где из него вычитают сигнал обратной связи Е, поступающий от измерительног блока 3. Разность сигналов Е Е подают на вход автоматического регулятора 6, где ее усиливают и преобразуют в управляющее воздействие на объект 7 по выбранному закону регулирования Р f(4E). В результате воздействия (нагрева или охлаждения) Изменяется температура объекта 7 регулирования и возникает разность температур лТ Т - Т между объектом и эталонным телом 8, определяемая теплофизическими и геометрическими параметрами эталонного тела и границы раздела между 1 . 4 объектом и эталонным телом, а также скорости изменения температуры ) (,) лт к(-5: чгде Кф - коэффициент формы; X - характерный размер эталонного тшш; а - коэффициент темпеоатуропоо водности эталонного вещества; (f - толщина границы раздела (стенки); коэффициент температуропроводности материала стенки; c/T/c/i - скорость изменения температуры объекта регулирования . Материал стенки и эталонное вещество подбирают таким образом, чтобы выполнялось условие а « а, этом вторым слагаемым 1Ь1 ажения можно пренебречь .2 ЛТ - Кф Возникшую таким образом разность температур ЛТ преобразуют измерительным блоком 3 в сигнал отрицательной обратной связи Е К„4Т где Kjj - коэффициент передачи измерительного устройства. Сигнал Е подают на вход блока 1 сравнения по принципу противовключения с опорным сигналом Е задатчика 2, так что выходной сигнал блока сравнения равен их разности Управляющее воздействие на объект 7 определяется величиной рассогласования ЛЕ и характеристикой регулятора 6. Для пропорционального регулятора выходная мощность КрЛЕ где Кр - коэффициент передачи регулятора 6. В момент инициирования системы Е О, дЕ Е, и управляющее воздействие Р осуществляется с максимальной интенсивностью. Подача сигнала отрицательной обратной связи Еу частично компенсирует опорный си1- нал EQ, что приводит к уменьшению входного сигнала регулятора и, следовательно, интенсивности управляю щего воздействия. В результате уменьшается скорость изменения темпеcfTратуры объекта -гг и соответственно, величина сигнала Е. Таким образом, система является самонаст раивающейся, причем устойчивость ее определяется передаточной функцией обратной связи. В установившемся режиме управляющее воздействие обеспечивает подвод к объекту регулирования тепловой мощности необходимой для изменения температу ры объекта с заданной скоростью и компенсации тепловых потерь объек та в окружающую среду О.. При этом устанавливается текущее значение скорости изменения температуры объекта (6 зависящее от его теплоемкости С,,, величины опорного сигнала задатчика Е , а также теплофизических свойств эталонного вещества Выражение (6) характеризует закон программного регулирования тем пературы объекта в дифференциальной форме, функциональный вид которого определяется характером зависимости коэффициента температуро проводности эталонного вещества от температуры а(Т), а количественные параметры - величиной опорного сигнала Е. В частности, при а, const реализуется линейный закон изменения температуры объекта во времени со скоростью, величина кот рой определяется настройкой источника постоянного опорного.сигнала Е . р Кр const ( Со+ .Подбирая эталонные вещества с различным характером зависимости а(Г), можно реализовать различные законы программного регулирования температуры без существенного изменения системы. Использование постоянного значения опорного сигнала Ед, которое можно задавать и поддерживать с высокой точностью, позволяет достичь высокой степени точности программного регулирования. Точность воспроизведения программ при многократной или циклической их реализации обеспечивается стабильностью теплофизических свойств выбранного эталонного вещества в рабочем диапазоне температур. Устройство для осуществления предлагаемого способа работает следующим образом. При помощи переменного резистора 1.9 и индикатора разбаланса устанавливают необходимое начальное значение разбаланса моста 18, соответствующее заданной начальной скорости нагрева. Напряжение разбаланса подают на вход усилителя 4, где оно усиливается, вызывая включение исполнительного реле и питания электронагревателя 9. Начинается нагрев медного блока, что нарушает тепловое равновесие связанных с ним датчиков 16 и 17 температуры. Вследствие неодинакового изменения сопротивления этих датчиков изменяется разбаланс моста, причем знак начального разбаланса подобран так, чтобы при увеличении разности температур между медным блоком и эталонным веществом 15 в контейнере 14 величина разбаланса уменьшалась. При достижении разностью температур определенного значения величина разбаланса уменьщается до порога срабатывания первой ступени усилителя Ф-356. Б результате выходная мощность на нагревателе 9 понижается, что приводит к уменьшению скорости нагрева медного блока. Если при этом сумма тепловых потерь и мощности, необходимой для нагрева объекта с заданной скоростью, превысит установившееся значение мощности нагревателя, разность температур снова начнет уменьшаться и произойдет обратное срабатывание первой ступени регулятора - мощность нагревателя вновь увеличивается до максимального значения. В противном случае, если мощность нагревателя будет по-прежнему превьш1ать сумму тепловых поT.eDb и мощности, расходуемой на на

7

грев медного блока, уменьшение величины разбаланса будет продолжаться до порога срабатывания второй ступени регулятора, полностью отключающей нагреватель. При этом регулирование будет осуществляться частичным включением минимальной Мощности нагревателя Изменение любой из составляющих - тепловых Потерь или мощности, потребляемой на нагрев объекта - непосредственно отразится на величине разности температур эталонного вещества и объекта регулирования что вызовет соответствующее изменение частоты включения нагревателя. В частности, при увеличении тепловых.потерь с ростом темпера689128

туры объекта частота включения будет увеличиваться, и при некоторой температуре произойдет автоматический переход к следующей ступени регулирования с изменением мощности между минимальным и максимальным ее значениями.

Изобретение обладает повышенной fO точностью воспроизведения заданной программы изменения температуры, особенно при многократном или циклическом режиме работы, за счет замены переменного опорного сигfS нала постоянным, и повьшенной надежностью, определяемой отсутствием движущихся частей и контактных элементов.

21