Устройство для регулирования температуры газа в проточной камере Советский патент 1986 года по МПК G05D23/19 

1

Изобретение относился к автоматическому программному регулированию тем11ературы газовой среды и может быть использовано в химической про- мьшленности для получения газа с заданной температурой, а также в машиностроении при испытаниях конструкций на прочность и стойкость к воздействию агрессивных проточных газов различной температуры.

Целью изобретения является повышение точности регулирования температуры газа в проточной камере.

На фиг.1 приведена блок-схема устройств а для регулирования температуры гааа в проточной камере; на фиг.2-4 блок-схема соответственно обратной модели камеры, второго за- датчика и блока коррекции.

Устройство (фиг.1) содержит ресивер 1 с коллектором 2, подключенным через соосно и противоположно расположенные между собой впускные каналы 3 и 4, с установленными в них первым и вторым регулируемыми дросселями соответственно 5 и 6, к проточной камере 7, имеющей на выходе дроссель постоянного сечения 8, обратную модель системы, включающую обратную модель проточной камеры 9, которая своим входом через неинвертирующий и инвертирующий входы элемента сравнения 10 подключена к выходам соответственно первого 11 и второго 12 задатчиков. Задатчик 12 своим вторым выходом подключен к соответствующему входу первого сумматора 13, который первым входом соединен с выходом обратной модели проточной камеры, а выходом через первый 14 и второй 15 усилители - с первыми входами второго 16 и третьего 17 сумматоров, выходы которых подключены к управляющим входам регулируемых дросселей соответственно 5 и 6. Вторые входы сумматоров 16 и 17 соединены соответственно с первым и вторьм входами блока коррекции .18, первьй и второй входы которого подключены к датчику температуры 19 и датчику давления 20 газа в ресивере 1, и к соответствующим входам второго задатчика 12, а третий вход - к датчику давления газа 21, установленному в проточной камере 7, Четвертый, пятый и шестой входы блока коррекции 18 подключены к расходомерам 22-24, установленным соответственн о в коллекторе 2 и в

10

15

20

25

15103

выходных патрубках регулируемых дросселей 5 и 6. Датчик давления 25 сое-| динен с третьим входом второго задатчика 12.

5 В обратной модели проточной камеры 9 дифференциатор 26 входом подключен к выходу злемента сравнения 10 и к четвертым входам четвертого сумматора 27 и первого и второго интеграторов соответственно 28 и 29, а выходом - к первому входу сумматора 27. Выход последнего соединен с 11ервыми входами сумматора 13 и интеграторов 28 и 29. Выходы же этих интеграторов подключены соответственно к вторым и третьим входам сумматора 27 и интеграторов 28 и 29.

Второй задатчик 12 включает в себя пятьш сумматор 30, инвертирующий вход которого через первьш и второй гходы первого блока умножения 31 подключен к потенциометру 32. Неинвертирующим входом сумматор 30 соединен с датчиком температуры 19 и первым входом первого блока деления 33, который вторым своим входом соединен с выходом сумматора 30 и инвертирующим входом злемента сравнения 10, а выходом через последовательно соединенные третий усилитель 34 и нелинейный блок 35 - с первым входом второго блока умножения 36, подключенного вторым входом к датчику давления 25. Выход блока умножения 36 подключен к первому входу второго блока деления 37, второй вход которого соединен с датчиком давления 20, а выход через четвер- Iтый усилитель 38 - с вторым входом сумматора 13.

Блок коррекции 18 включает в себя блок 39 извлечения квадратного корня, подключенный входом к датчику температуры 19, а выходом через второй вход третьего блока деления 40 и. первый вход третьего блока умножения 41 -г к входу пятого усилителя 42, выход которого соединен с вторыми входами пятого 43 и шестого 0 44 блоков деления, выходы которых подключены к вторым входам сумматоров соответственно 16 и 17, а первые входы - к выходам соответственно шестого 45 и седьмого 46 сумматоров. Неинвертирующие входы последних сум- I маторов соединены с расходомерами 22, а инвертирующие - с расходомерами соответственно 23 и 24. Четвертый

30

5

0

5

5

блок деления 47 первым входом соединен с датчиком 21, вторым - с датчиком давления 20 и первым входом блока деления 40, а выходом через второй нелинейный блок 48 - с вторым входом блока з ножения 41.

Устройство для регулирования температуры газа в проточной камере работает следующим образом.

Пусть в проточной камере 7 необходимо реализовать заданный закон изме- ненюГ температуры газа Tit) относительно заданного установившегося значения. Т . Тогда сигнал Ujlt)c выхода первого задатчика 11, эквивален20

25

35

тный заданной программе изменения температуры ) , которую необходимо реализовать в проточной камере 7, поступает на неинвертирующий вход злемента гравнения 10, на инвертиру- кяций вход которого с первого выхода

второго задатчика 12 подается сигнал 0 , зквивалентный заданному уста- йовившемуся значению температуры газа TO в проточной камере 7. Разность этих двух сигналов (t) U() -UT , эквивалентная раз- носгн температур AT (t) Т(t) -То , с выхода элемента сравнения 10 подается на вход обратной модели проточ зо ной камеры 9, Функциональная взаимосвязь меязду входным сигналом U/j|(t) и выходным сигналом Uus(.t) обратной модели проточной камеры 9, эквивалентным суммарному отклонению uS(t) регулируемых дросселей 5 и 6,

может быть установлена либо экспериментально (например, методом идентификации) , либо теоретически. В общем случае величина US(i) зависит

от таких параметров, как uT(t) и (t&T(t)

-; объема W проточной камеры

dt

7, давления Рр и температуры Тр газа в ресивере 1, площади 83 дросселя постоянного сечения 8, теплофизичес- ких свойств газовой среды, а именно показателя адиабатыk и газовой постоянной R .

С выхода обратной модели проточной камеры 9 сигнал Уд (t) поступает на первый вход первого сумматора 13, на второй вход которого одновременно поступает сигнал Ugo эквивалентньй установившемуся значе- ншо суммарной площади открытий регулируемых дросселей 5 и 6 и формируемый на выходе второго задатчика

40

45

50

55

входы телей.

10

J5

20

25

35

зо

215103 :- 4

12. С выхода сумматора 13 сигнал Llg(t) одновременно поступает на

первого 14 и второго 15 усили- на выходах которых формируют- 5 ся сигналы соответственно и51 (t) .и UjjCt), одновременно поступающие на первые входы сумматоров соотлет- ственно 16 и 17. При этом коэффициент передачи К1 усилителя 16 может быть выставлен в пределах О К 1 1. так Что Usi К I Ug . Соответственно сигнал на выходе усилителя 15: UST. (1 -KOUj.

Для реализадаи процессов с наименьшими потерями энергии в проточной камере 7 целесообразно брать К 1 0,5. Одновременно на блок коррекции 18 поступают сигналы с датчиков температуры 19 и давления 20 газа в ресивере 1, датчиков давления газа 21 и 25 соответственно в проточной камере 7 и на потребителе, а также с расходомеров 22-24, установленных соответственно в коллекторе I и в выходных патрубках регулируемых дросселей 5 и 6. Эта информация о текущем состоянии процессов, протекающих в данном устройстве в каждый момент времени, в блоке коррекции 18 преобразуется с целью получения в каждый момент времени информации о действительных отклонениях ASKt) и &S2(i:) значений площадей регулируемых дросселей 5 и 6 от требуемых S1(t) n52(t), формируемых на выходах усилителей 14 и 15. Подавая на вторые входы сумматоров 16 и 17 сигналы соответственно Uasi (t) и Uusz (+) выходах этих сумматоров получают откорректированные сигналы (t) и USIK (t), которые и поступают на управлякшще входы.регулируемых дросселей соответственно 5.и 6, изменяя их пропускные площади таким образом, чтобы в проточной камере 7 реализовывался закон изменеиня температуры Т (f), заданный задатчиком 11. При этом газовые потоки через регулируемые одновременно дроссели 5 и 6 поступают соосно и навстре-чу друг другу и одновременно газовая среда через дроссель 8 поступает на потребитель.

Таким образом, поступающие навстречу Друг другу газовые потоки тормозятся в проточной, камере за счет соударения их между собой, в ре40

5

0

5

зультате чего кинетические энергии этих потоков полностью или частичо преобразуются во внутреннюю и потенциальную энергии газовой среды в камере. Соосной подачей газовых потоков обеспечивается «наибольшая площадь соударения их между собой, что в свою очередь обуславливает и наибольшую эффективностьпреобразования кинетических энергий потока во нутреннюю и потенциальную энергии заорможенного в проточной камере газа.

Исключение в данном устройстве , возможностей соударения газ ового потока со стенками камеры приводит к уменьшению непроизводительных затрат кинетической энергии потока на нагрев последних и последующих потерь этой энергии теплообменом В окружающую среду, что и обуславливает повьш1ение точности реализации заданных программ изменения температуры газа в проточной камере

Обратная модель проточной камеры 9 функционирует следующим образом.

Сигнал U () с выхода элемента сравнения 10 подается одновременно

К2 (а-,К1 +-a5,s(1 - К1)) К4 -( + 41 B5 )К2

К8 .( Кб

(

53

)

где

ai,+

+ (1 - КГ)

К10 (аз,,К1 + ajsd - Х1) К12 (азз + азтаьз)

,Л; .

- коэффициенты.линеаризации относительно установившихся режимов, определяемые экспериментально.

- f--i-

аг,

1, 2, 3, 4, 5, dV

dT

dt 3 1, 2,

X,

Vp

7. У1 p Уг т;

dt 1 ns Xt

V, y S1. У5 S2, y Vn,

Vp ,

Vp, , Vp - скорости движения

газа соответственно в проточной камере , 7 через регулируемые дроссели 5 и 6 (Vf, пг п) и через дроссель постоянного сечения 8;

S1 ,52 - площади пропускных сечений регулируена дифференцирующее устройство 26, на выходе которого формируется сигaUuT(t) нал эквивалентный произ5

водной от ЬТ (t), и на четвертые

входы четвертого сумматора 27 первого и второго интеграторов 28 и 29. С выходов интеграторов 28 и 29 сигO налы, эквивалентные соответственно отклонениям давления др(t) и скорости uV(t) в проточной камере 7, подаются соответственно на вторые и третьи входы этих же интеграто5 ров 28 и 29 и сумматора 27, на первый вход которого одновременно, подаdUAT(t)

ется сигнал с выхода дифd t ференцирующего устройства 26. На

0 выходе сумматора 27 формируется сигнал Ufls(t), эквивалентный отклонению д5 (t) суммарной площади открытия регулируемых дросселей 5 и 6, который также одновременно пос5 тупает и на первые входы интеграторов 28 и 29. Коэффициенты передачи сумматора 27 и интеграторов 28 и 29 следующие:

КЗ - (а, + а

К5 (а, + ar,-,a5i)K2

К7 а,, + + 17 51 К9 + а„а52. К11 ад, + азба1,1 + азта К13 ajT. + а

+ ,5 )К2

37

мых дросселей соответственно 5 и 6, р, Т - давление и температура газа в проточ- ной камере 7,

Второй задатчик 12 функционирует следующим образом.

С датчика температуры газа 19 в ресивере 1 сигнал одновременно пос- тупает на неинвертирующий вход с единичным коэффициентом передачи пятого сумматора 30 и на первый вход первого блока деления 33, на

выходе которого формируется сигнал, эквивалентный отклонению значения температуры газй в ресивере Тр и установившегося значения температуры газа То в проточной камере 7. При этом одновременно на инверти- рующий вход сумматора 30 подается сигнал, эквивалентный квадрату уста- новившегося значения скорости газа Vo в проточной камере 7 и формируемого на выходе первого блока умножения 31, на оба вуода которого поступает сигнал с потенциометра 32, запитьшаемого постоянным напряжением. Величина напряжения, снимаемого с потенциометра 32, эквивалентная Vo , задаваемая в диапазоне значений

Vo 0-f-QKpo; (KRTpf(K.-H)) 10

Это максимально возможная величина скорости газа в проточной камере 7. Коэффициент передачи К14 по инвертирующему входу сумматора 30 определяется следующим образом: К14 К - 1)/2KR. Выходной сигнал сумматора 30 одновременно поступает на второй вход первого блока деления 33 и на инвертирующий вход элемента сравнения 10. Сигнал с выхода бло- ка деления 33 поступает на третий усилитель 33 с коэффициентом передачи К15 2/(К +1), после чего сигнал, эквивалентный величине К15 X (Тр/Tj,) поступает на нелинейный блок 35, реализующий функциональную зависимость

к

15

25

20

(к16х(Тр/То))

где РО, , РО

Ц.-1

- да вление газа соответственно на потребителе и в прото.чной камере 7 в установивщемся режи ме.

С выхода блока 35 сигнал подается на первый вход второго блока умножения 36, на второй вход которого поступает сигнал с датчика давления газа 25 на потребителе. В результате этого на выходе блока 36 формируется сигнал, эквивалентный значению pjy, который затем поступает на первый вход второго блока деления 37, на второй вход которого подается сигнал с выхода датчика давления 20 в ресивере 1, Получаемый на выходе блока деления 37 сигнал, эквивалентный отношению давлений Р /Рр, поступает на четвертый усилитель с койф фициентом К16 1,893 х53, на выхо- де которого формируется сигнал t/sp. эквивалентный величине , после чего последний сигнал поступает на второй вход сумматора 13.

Блок коррекции 18 работает следующим образом.

С датчика температуры 19 в ресивере 1 сигнал UTP поступает на блок извлечения квадратного корня 39, с выхода которого сигнал, эквивалентный величине Тр , подается на второй вход третьего блока деления 40, на выходе которого формируется сигнал, эквивалентный величине Рр/Тр который затем поступает на первый вход третьего блока умножения 41. На второй вход этого блока умножения поступает сигнал Uу , эквивалентный газодинамической функции Y, определяемой условиями:

ПРИ

Pf

КМ

t // 2К / Р К. 1- р

1(гт)(тг --рг ))

.ilK

г Чг

л .-1. .. (,.( г 15Ti) ) J и формируемый на выходе второго нелинейного блока 48, а с выхода блока умножения 41 сигнал поступает на усилитель 42, имеющий коэффициент передачи

K,

-Иг

30

35

40

45

50

55

На вход блока 48 сигнал, эквивалентный величине Р/р , поступает с четвертого блока деления 47, на первый вход которого сигнал Up подается с датчика давления 21, а на второй - сигнал Upp% с датчика давления 20. При этом последний сигнал одновременно поступает и на первый вход третьего блока деления 40. На неинвертирующие входы сумматоров 45 и 46 с коэффициентами передачи соответственно К 1 и (1 - К1) поступает сигнал UG с расходомера 22, а на инвертирующие входы этих сумматоров с единичными коэффициентами передачи подаются сигналы соответственно и с расходомера 23 и Uc2 с расходомера 24. Тогда на выходах сумматоров 45 и 46 формируются сигналы соответственно Оде;г, и U/ig-i , характеризующие отклонения действительных расходов газа l/ei и Ujjj через соответствующие регулируемые дроссели 5 и 6 от требуемых K1-Ug и (1 - K1)U. Подавая сигналы UUGI н первые входы бло1сов деления соответственно 43 и 44, на вторые входы которых одновременно поступает сигнал с выхода усилителя, 42 эквивалентный величине KoPpY(RTp),

НА выходах блоков,43 и 44 получают сигналы U(s/ и которые затем, с целью-коррекции сигналов Цj и Ug2. подают на вторые входы сумматоров соответственно 16 и 17.

Как показали экспериментальные исследования, данное устройство для регулирования температуры газа в проточной камере позволяет воспроизвести в последней законы изменения температуры газа, на 20-30% превьшающие значения температуры газа для соответствующих моментов времени, получаемые известным устройством программного регулирования температуры газа.

Формула изобретени

г

1. Устройство для регулирования температурь газа в проточной камере, содержащее ресивер с коллектором, проточнзгю камеру с дросселем постоянного сечения на выходе и обратную модель системы, включающую обратную модель проточной камеры, подключенную входом через неинвертирующий и инвертирующий входы элемента сравнения к выходам соответ- ственно первого и второго задатчи- ков, причем второй задатчик вторым выходом подключен к соответствующем входу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом обратной модели проточной камеры, а выход является выходом обратной модели системьг, отличающее t я тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры газа, проточная камера соединена с коллектором через соосно и противоположно расположенные между собой впускные каналы, в каждом из которых установлен регулируемый дроссел соответственно первьй и второй, при этом в устройство введены первый и второй усилители, второй и третий сумматоры, блок коррекции, а также датчики температуры и давления, установленные в ресивере, датчик давления, установленный в проточной камере, первый, второй и третий расходомеры, размещенные соответственно в коллекторе ив выходных патрубках первого и второго регулируемых дросселей, и датчик давления, установленный на потреби0

5

0

5

0

5

0

0

5

теле, причем первый и второй усилители подключены входами к выходу обратной модели системы, а выходами - к первым входам соответственно второго и третьего сумматоров, блок коррекции подключен первым и вторым входами соответственно к датчикам температуры и давления, установленным в ресивере, и к соответствующим входам второго задатчика обратной модели системы, третьим вхо- ,;|дом - к датчику давления, установленному в проточной камере, четвертым, пятым и шестым входами - к первому, второму и третьему расходомерам соответственно, первый и второй выходы блока коррекции подключены через вторые -входы второго и третье го сумматоров к управляющим входам соответственно первого и второго регулируемых дросселей, а третий вход второго задатчика обратной модели системы соединен с датчиком давления, установленным на потребителе.

2.Устройство по п. 1, о т л и - чающееся тем, что обратная модель проточной камеры содержит четвертый сумматор, первый и второй интеграторы и дифференциатор, вход

которого является входом обратной модели проточной камеры и подключен к четвертым входам обоих интеграторов и четвертого сумматора, а выход - к первому входу этого же сумматора, который своим выходом, являющимся выходом обратной модели проточной камеры, подключен к первым входам обоих интеграторов, вь:коды которых соединены соответственно с вторыми и третьими входами четвертого сумматора и обоих интеграторов.

3.Устройство по пп. 1 и 2, о т - ли. чающее.ся тем, что второй задатчик обратной модели системы содержит первый и второй блоки умкотке- ний, первый и второй блоки деления, третий и четвертый усилители, потенциометр, нелинейный блок и пятый сумматор, при этом неинвертирующий с единичным коэффициентом передачи вход пятого сумматора и вторые входы вторых блоков умножения и деления являются соответственно первым, вторым и третьим входами второго задатчика, инвертирующим входом пятый сумматор через первый и второй входы первого блока умножения подключаем

потенциометру, а выходом, являющимся также первым выходом второго задат- чика, - к второму входу первого блока деления, который первым входом соединен с первым входом второго зада тчика, а выходом через последовательно соединенные третий усилитель и нелинейный блок - с первым входом второго блока умножения, подключенного выходом через первый вход второго блока деления к четвертому усилителю, выход которого является вторым выходом второго задатчика.

4. Устройство по пп. 1-3, о т - личающееся тем, что блок

коррекции содержит блок извлечения квадратного корня, третий, четвертый, пятьй и шестой блоки деления, второй

нелинейный блок, пятый усилитель, третий блок умножения, шестой, седьмой сумматоры, неинвертирующие входы KOTOjobtx являются четвертым входом, а инвертирующие - соответственно пятым и шестым с единичными коэффициентами передачи входами блока коррекции, выходы сумматоров подключены к первым входам соответственно пятого и шестого блоков деления, выходы которых являются первым и вторым выходами блока коррекции, а вторые входы подключены

к выходу пятого усилителя, который последовательно через первый и второй входы третьих блоков умножения и деления подключен к выходу блока извлечения квадратного корня,

вход которого является первым вкодом блока коррекции, вторым входом третий блок умножения через второй нелинейный блок подключен к выходу четвертого блока деления, второй

вход которого, являясь вторым входом блока коррекции, подключен также к первому входу третьего блока деле- ния, а первый вход четвертого блока деления является третьим входом блока коррекции.

CU/jfodOi O

Иа - /гл

Ci//// oe 7Xt /J

CdoyntMMQ ff

I

UfTKlMl-i

-t|LAJ4J П-J

- J

SO

. .Sifffa /

5

J J7

x

Г4

26

/с/д

г9

IPu,8

П-J

. .Sifffa /

A/TfOOO

Sjfoff /5

Да 99йС4П7/

Сдап9лл//еа2О

Фиг.Ъ

С da/j f//rff 9

чГ

,

Ж

г

X./

47

ffoffff ff

г2

Составитель М.Чернова Редактор К.Волощук Техред О.Неце Корректор Е.Сирохман

Заказ 907/56 Тираж 837Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5 Филиал ШШ Патент, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

а S/ncjioot S;fod /S

а S/f7O/yof jfod /7

46

Фс/г.