Устройство для регулирования температуры Советский патент 1985 года по МПК G05D23/19 

to

Од N9 Изобретение относится к прецизи онным регуляторам температуры и пр назначено для использования в объе тах, в которых температура регулир вания должна достигать установленн го значения с определенной постоян ной скоростью, например в установках дифференциального термического анализа (ДТА). Цель.изобретения - повьшение то j ности регулирования и упрощение ус тройства.. На чертеже представлена схема п лагаемого устройства для регулиров ния температуры. Устройство содержит задатчик 1 т пературы, датчик 2 температуры, пр образующий температуру в электрический сигнал, дифференциальный ус литель 3, элемент 4 сравнения, пре образователь 5 напряжения в частот (ПНЧ), счетчик 6, цифроаналоговьй преобразователь (ЦАП) 7, линейный усилитель 8,.интегратор 9, дифференциатор 10, сумматор 11, исполнительный элемент 12. . Устройство работает следующим образом. После подачи напрязрений, питающих элементы схемы, счетчик 6 и ин тегратор 9 автоматически или вручную устанавливаются в нулевое состояние. Если на выходах задатчика 1 и датчика 2 присутствует сигнал, сортветствзпощий нулевой начальной температуре, то на выходе дифференциального усилителя 3 также нулевое напряжение, поэтому импульсы с выходов ПНЧ 5 не поступают ни на вход сложения, ни на вход вычитания счетчика 6, на выходе ЦАП 7 присутствует напряжение, соответствующее нулевой температуре. На выходе элемента 4 сравнения напряжение ошибки также нулевое, поэтому разогрева объекта регулирования не происходит. После установки при помощи датчика 1 скачка температуры с исходной на заданную усилитель 3 начинает работать в режиме ограничения. Из-за большого коэффициента усиления на входе ПНЧ 5 устанавливается максимальное, например, положительной полярности напряжение.. На выходе ПНЧ 5, подсоединенном к входу сложения счетчика 6 появляются импульсы напряжения постоянной частоты, определяемой выходным напряжением усилителя 3 в режиме ограничения и крутизной преобразования ПНЧ 5, Число, записанное в счетчике 6,.начинает равномерно возрастать. Также начинает возрастать и напряжение, поступающее на элемент 4 сравнения с выхода ЦАП 7. На выходе элемента 4 сравнения появляется возрастающее напряжение ошибки, подаваемое на исполнительньш элемент через линейный усилитель 8 и сумматор 11. Одновременно начинают функционировать интегратор 9 и дифференциатор 10, также воздействуя через сумматор 11 на исполнительный элемент. Исполнительньй элемент подает в нагрузку мощность, под воздействием которой начинается разогрев объекта регулирования. Сигнал с выхода датчика .2 начинает возрастать,компенсируя возрастающее напряжение, поступающее да элемент 4 сравнения с выхода ЦАП 7. Далее ПИД-регулятор работает обычным образом, поддерживая величину ошибки на выходе элемента4 сравнения близкойк нулю, т.е. закон изменения сигнала с выхода датчика температуры повторяет закон изменения напряжения с выхода ЦАП 7. В процессе разогрева управляемого объекта и приближения к задаваемой программой температуре усилитель 3 из-за большого коэффициента усиления работает в режиме ограничения, и сигнал на выходе ПНЧ 5 поддерживается максимальным и неизменньм., частота следования импульсов, поступающих с выхода ПНЧ 5 на вход сложения счетчика 6, остается неизменной, цифровой код, поступающий с выхода счетчика 6 на вход ЦАП 7, равномерно возрастает, соответственно равномерно возрастает и напряжение на выходе ЦАП 7, происходит линейное возрастание температуры управляемого объекта. Когда, разница сигналов с задатчика 1 и датчика 2 уменьшается настолько, что усилитель 3 выходит из ограничения, начиная работать в линейном режиме усиления, его выходной сигнал пропорционально уменьается (по абсолютному значению). Пропорционально начинает уменьшаться и- частота следования импульсов на выходе ПНЧ 5, происходит замедление роста напряжения и выхода ЦАП 7 выходной сигнал сумматора 11 через исполнительный элемент 12 начинает ограничивать мощность, подаваемую на объект регулирования. Скорость нарастания температуры при подходе к заданному значению.температуры равномерно снижается до нулевого значения,.поэтому выход объекта на заданную температуру происходит асимптотически снизу, без перерегулирования. В процессе дальнейшей работы ПИД-регулятор поддерживает установленную температуру объекта с заданной точностью, пока в программе нет резких изменений величины задаваемой температуры.

Если в программе имеется резкое изменение задаваемого значения температуры, например, при переходе на поддержание более низкой температуры усилитель 3 снова переходит в режим ограничения, его выходное напряжение принимает максимальное значение, но уже противоположной полярности, например отрицательной. Теперь импульсы напряжения с выхода ПНЧ5 поступают на вход вычитания счетчика 6, цифровой код на входе ЦАП 7 начинает равномерно уменьшаться, соответственно равномерно уменьшается и напряжение, поступающее на вход элемента 4 сравнения с выхода ЦАП 7.

Выходной сигнал сумматора 11 через исполнительньм элемент 12 снижает мощность, подаваемую на управляющий объект, происходит равномерное снижение температуры объекта. В процессе приближения температуры обекта к заданной величине элемент сравнения выходит из режима ограничения, скорость уменьшения напряжения на выходе ЦАП 7 снижается до нулевой, температура объекта регулирования стабилизируется с заданной точностью на новом уровне.

Скорость изменения температуры объекта регулирования зависит от частоты импульсов, поступающих с

выхода ПНЧ 5 на один из входов счетчика 6, поэтому., управляя крутизной преобразования ПНЧ 5, можно получить любые, вплоть до максимально возможных, скорости линейного изменения температуры, благодаря чему область применения изобретения суще.ственно расширяется. Так, устройство может быть использовано

в установках для выращивания монокристаллов, где выход на заданную температуру должен осуществляться со скоростями порядка единиц - десятков градусов в час, в устройствах

для термических методов анализа (сканирующая микрокалориметрия, дифференциальный термический анализ термогравиметрия и т.д.), где используются скорости выхода на заданную

температуру от долей до десятков градусов в минуту, а также в областях традиционного применения программных регуляторов температуры.

Кроме того, использование изобретения удлиняет срок службы объекта регулирования вследствие снижения термических градиентов в конструкционных материалах и плотности тока через нагреватели в процессе выхода

на установленную температуру.

Устройство легко может быть использовано в автоматизированных системах с использованием ЭВМ для контроля и управления технологическими процессами, поскольку цифровой код счетчика 6 отображает текущую температуру объекта регулирования с погрешностью, не превьш1ающей суммы погрешности датчика 2 температуры, ЦАП 7 и ошибки регулирования,т.е. в структуре предлагаемого устройства содержится готовый цифровой термометр.

Таким образом, изобретение выполняет функции трех раздельных устройств: собственно регулятора температуры, программатора-задатчика линейно изменяющегося напряжения

и цифрового измерителя тeмпepatypы.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ, содержащее последовательно соединенные счетчик и цифроаналоговый преобразователь, датчик и задатчик температуры, элемент сравнения, к .выходу которого подключены параллельно включенные линейный усилитель, интегратор и дифференциатор, связанные выходами с входом сумматора, к выходу которого подключен исполнительный элемент, отличающееся тем, что, с целью повьппения точности регулирования и упрощения устройства, оно содержит последовательно соединенные дифференциальный усилитель с ограничением и преобразователь напряжение-частота, соотэетствующие выходы которого,подключены к суммирующему и вычитающему входам счетчика, причем входы дифференциальноi го усилителя с ограничением связаны (Л с выходами задатчика и датчика температуры а входы элемента сравнения с выходами датчика температуры и цифроаналогового преобразователя.