А. И. Свиридова, Л. Л. Иванова, С. В. Лавров, А. С. Л'1ашницкий н А. 3. Страшун Советский патент 1971 года по МПК G01K7/02 G05D23/22 H05B1/02 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электротермии, например, при измерении и автоматическом регулировании высоких температур электрических печей.

Металлургия кристаллов, цветных и особо чистых металлов и силаBOB, полупроводниковых, силикатных и электротехнических материалов и производство изделий из них осуществляются в электропечах с высокой температурой термообработки. Их качество зависит от точиости выдержки температуры и мощности нагрева электропечей, а также от технологических режимов термообработки, расплава, зонной чистки матерналов объектов, т. е. от программирования.

Известны устройства для измерения и автоматического регулирования высоких темиератур электрических печей, содержащие датчик температуры, например двухэлектродпую термопару, и заключенные в заземленные экраны блок нодавления термо-э.д.с. со стабилизированным источником питания и измерительной схемой и измерительный блок с измерительным звеном и усилителем, заключенным в свой заземленный экран. Первичные обмотки силовых н промежуточного трансформаторов обоих блоков заключены в заземленные экранные обмотки, и линии связи между датчиком температуры, блоком нодавления

термо- Э.Д.С., измерительным блоком, а также между усилителем н из.мерительным звеном измерительного блока также заключены в экраны.

Однако такие устройства не позволяют достаточно точно измерять и регулировать температуру в зоне высокнх температур, потому что с повышеппем температуры в плечах сопротивления резко падает сопротпБлепие изоляции футеровки как датчика, так и особенно самой электропечи. В пределе лгожно считать, что рабочий cnaii термопары гальванически соединяется с электронагревателем. Такпм образом, помимо помех злектромагннтного н электростатического полей электропагревателей (поперечпых помех) к датчику прикладывается рабочее папряжепие нагревателя, создавая токи утечек но неременнод:у току, и на нзмерптельпых цепях блоков регулятора наводнтся разностная э.д.с. помехи-нродольиая помеха. Подобным же образом создаются контуры токов утечек от источников пнтанпя измерительных схем и от э.д.с. постоянного тока терлгопар. Кроме того, в связи с применением в качестве исполнительных устройств магнитных пли тиристорных элементов, управляюпшх пoдaвae гoii на электропечи мощностью нптания, зпачительио искажается форма нйиряжения питания регулятора и нагревателй, появляются высокие напряжения составляющих нечетных гармоник 160 в-150гц и 87 в-250 гц, также прикладываемых к датчику через футеровку и создаюндих продольные номехи.

Понижение сопротивления утечки при высоких напряжениях нагревателя 220/380 в может привести к новреждепию термопары или входных цепей измерительных блоков из-за недопустимо больших токов, проходящих через них. Аналогично продольные номехи на входе могут наводиться через сонротивления утечек и от сети через выходные блоки и цепи регулятора. Например, на усилитель измерительного микровольтметра могут наводиться токи утечки с силовых и промел уточных трансформаторов, с электродвигателя РД-09П, с выхода и входа регулирующего устройства и т. д.

Предлагаемое устройство отличается от известных тем, что в нем стабилизированный источник нитания и измерительная схема блока подавления термо-э.д.с., входной и промежуточный каскады усилителя и измерительное звено измерительного блока заключены в дополнительные экраны, помещенные внутри заземлеиных эранов, силовые и нромежуточный трансформаторы снабжены дополнительными экранами и экранными обмотками, все дополнительиые экраны и экранные обмотки изолированы высокоомной изоляцней как от заземленных экранов, так и от элементов блоков и соединены с экранами линий связи, а также посредством дополнительной линии связи с датчиком температуры, причем доиолнительная линия связи заключена в тот ж;е экран, в который заключены линии связи, отходящие от термонары. Такое выполнение устройства позволяет повысить точность измерения и регулирования температуры.

На фиг. 1 изображена электрическая схема, поясняющая принципы обеспечения номехозащищенности предлагаемого устройства от продольных номех; на фиг. 2 - блок-схема прецизионного регулятора; на фиг. 3-принципиальная схема блока подавления термоэ.д.с.; на фиг. 4 - принципиальная схема автоматического измерительного блока; на фиг. 5 - принципиальная схема измерительного звена измерительного блока; на фиг. 6- принципиальиая схема усилителя измерительного блока; на фиг. 7 - принципиальная схема регулирующего устройства.

Наиряжение от точки Л нагревателя (фиг. 1) через точки Б и В термоиары прикладывается к сопротивлениям утечек Zy точек Г и Д, создавая токи утечки /i и /2 по переменному току 50 гц. Так как сонротивления проводов измерительных схем принципиально не могут быть одинаковыми, то токи утечек /1 н /2 создают различные падения напряжения и At/2, разница между которыми Д(7 прикладывается к входному сопротивлению ZBX устройства. Сопротивления утечек в точках Г и Д также могут быть различными и еще больще увеличивать уровень продольных номех. В результате напряжение At/ забивает тракт усиления блоков и приборов, например обычные самописцы становятся «вялыми, «безразличными и резко увеличивают погрешность, причем с большой аснмметрией.

В устройстве имеются два входных измерительных блока-блок подавления термоЭ.Д.С., ио которому задается и отсчитывается истинное (абсолютное) значение регулируемого нараметра, н узконредельный автоматический измерительный блок, по которому измеряется и регистрируется отклоненне истинного значения регулируемого параметра от заданного уровня. Для номехозащищенности блок подавления э.д.с., стабилизатор и мостовая измерительная схема номещаются в массивный стальной экран и изолируются от него высокоомной изоляцией Zyi. Этот экран изолирован от заземленного экрана высокоомной изоляцией Zy2 и соединен с аналогнчным экраном измерительного блока. Измерительное звено измерительного блока, иреобразовательный каскад и часть каскадов усилеиия усилителя напряжения также иомепд,ены в массивный стальной экран и изолированы от него высокоомной изоляцией Zyi. Через высокоомную изоляцию Zy2 этот экран нрисоедиияется к заземленному экрану. Подводящие провода от термопары заключены в стальной экран, изолированный от «земли. Увеличение сонротивления изоляции Zy уменьшает токи утечек, особеино по переменному току, однако не устраняет нх.

Присоединение изолированного экрана отдельным нроводом АА к одному из зажимов холодных снаев термопары (к минусу-точка В) нрактически нолностью устраняет токи

утечек но неременному току через провода измерительных схем, т. е. ликвидирует продольные номехи, поскольку потенциалы всех точек А, Б, В, Г, Д к А становятся одинаковыми (по схеме провод АА присоединен крабочему спаю А, так как сопротивление термопары мало).

Токи утечек от помех, наводимых полями, источииками нитапия нз1мерительнь х схем и э.д.с. термопары также уменьшаются с увеличеиием сопротивления изоляции Zy.

Аналогично иовышение сопротивлеиия изоляции Zy3 силовых и вводимого промежуточного трансформаторов Z, высокоомное электрическое или гальваническое разделение выходных ценей измерительных блоков от входных ценей последующих блоков уменьщает токи утечек со стороиы сетевого напряжения ннтания всех блоков.

Регулятор (фиг. 2) состоит из подключаемого к объекту (печи) / датчика (термоиары) 2, блока 3 подавлеиия термо-э.д.с., измерительного блока - автоматнческого самонишущего микровольтметра 4, регулирующего устройства 5 и исполнительного устройства 6. РегуХА, ПП, ПР-6/30 с пределами измерения О-1100°С, О-1600°С, О-1800°С и соответственно с пределами подавления О-20 или О-50 мв, пределами измерения ±125, 250, 500 мкв, чувствительностью 0,4-1 мкв, пределами из гeпeния статизма 1-400%, времени изодрома 1-3000 сек и времени предварения 0,2-500 сек и управление любой молпостью электропечи в зависимости от выбранного типоразмера исполнительного устройства.

Блок подавлепия термо-э.д.с. (фиг. 2 и 3) рассчитан для работы с термопарами ХА, ПП, ПР-6/30 на пределы подавления 0-20 или О-50 мв па «грубом и О-1 или О-2,5 мв на «точпом поддиапазонах и представляет собой прецизионный источннк регулируемого напряжения. Он состоит из источника 7 стабилизированиого нитапия с коэффициентом стабилизации 10000 и измерительной схемы 8, содержащей два прецизпоиных 10-оборотных неременных сопротивления 9 и 10, немеющих отсчетное устройство с ценой деления в 0,1% каждое, и постоянные сопротивления. Величина сопротивления «точного потенциометра составляет 1/20 от «грубого, т. е. цена деления «точного нотепциометра составляет 0,005% от шкалы блока подавления термоэ.д.с. Однако цена деления может быть и любой другой.

Стабилизированный источник иитания и мостовая измерительная схема помещены в массивные стальные экраны 11 и 12 и изолируются от них высокоомной изоляцией, а весь блок номеи1ен в заземленный экран 13. Силовой трансформатор 14 также помещен в экран 15, подключенный к изолированным экранам 11 и 12. Обмотки 16 и 17 траисформатора 14 отделены от сетевой обмотки 18 двумя экранными обмотками 19 и 20. Обмотка 19 подсоединена к изолированному экрану 15, а обмотка 20 - к заземленному экрану 13. Экранные обмотки также изолируются высокоомной изоляцией.

Стабилизатор 21 источника заключен в дополнительный экран 22. К отрицательному зажиму термопары подключен выравпивающий привод 23, который подсоединен к изолированным экранам // и 12. Сдвоенные сопротивления в некоторых цепях представляют собой лнбо подгоночные, либо термокомпенсационHFjie сопротивлепия.

Автоматический самопищун1ий микровольтметр 4 или 4 служит для измерения и записи истинного зиачения или отклонения от заданного значения регулируемого параметра. По входу он стыкуется или непосредственно с термопарами, или с блоком подавления термоэ.д.с. и термопарами, а по выходу через встроенные вторичный датчик и задатчик - с последуюнхими блоками, например регулирующими устройствами регуляторов.

Микровольтметр представляет собой высокочувствительную следящую систему с пределами измерения +125, 250 и 500 мкв и чувствительностью 0,4-1 мкв. Принципиальная схема канала пзмереиия и регулироваиия состоит из звена измерительной схемы 24 (фиг. 4 и 5), многокаскадного полунроводникового усплнтеля 25, схем компенсационного реохорда 26 и электродвигателя 27. Кроме того, для связи со входами регулирующих устройств в корпус самописца встроены реохорды вторичного датчика 28 и задатчика 29 для ручного задания. Звено измерительной схемы 24, включая компенсациоцный реохорд 26 и усилитель 25 напряжения, и специально введенный для обеспечения помехозащищенности нромежуточный трансформатор 30 (фнг. 6) заключены в массивные стальные экраны 31 и 32 и изолированы от них высокоомной изоляцией. Экраны 31 и 32 соединены общим проводом. К пим подсоединены экраны 33 всех подводящих входных проводов. В свою очередь изолированные экраны 31 и 32 помещены в заземленные экраны 34 и изолированы от пих высокоомной изоляцией. Входной 35 и нромежуточпый 30 трапсформаторы, вибропреобразователь 36 также заключены в изолпровапные экраны 37-39 и подсоедипены к общему изолироваиному экрану 32 (фиг. 6). Первичные обмотки входного 35, промежуточного 30 и силового 40

трапсформаторов отделены изолированными высокоомиой изоляцией экранными обмотками 41 и 42. Обмотка 4} подсоединяется к изолированным экранам 32, а обмотка 42-к заземленному экрану 34.

Измерительный блок 24 (фиг. 4 и 5) состоит из делителей - сопротивлений 43 и переключателя 44 диапазонов измерения, а блок усилителя 25 (фиг. 4 и 6)-из модулятора- вибропреобразователя 36, входиого трансформатора 35, семи полупроводниковых каскадов усилителя нанряжепия 45, промежуточного трапсформатора 30, выходного двухтактного полупроводникового каскада 46, силового трансформатора 40 и выпрямителя 47 с фильтром. Провода 48 подводятся к делителю 49 глубины жесткой обратной связи в измерительном блоке (фнг. 5 и 6), а провода 50- к управляющей обмотке компенсационного реверсивного электродвигателя 27 (фиг. 4 и 6).

Регулирующее устройство 5 (фиг. 2 и 7) представляет собой высокоомный полупроводниковый операционный усилитель постоянного тока автогенераторного типа на четырех транзисторах, обхваченный различными видами отрицательной обратной связи, обеспечивающими различные законы регулирования. Для повышения устойчивости введены два резонансных контура 51 и 52 с разнесенными частотами.

В качестве исполнительного устройства 6 (фиг. 2) используются либо серийно выпускаемые маггп1тньте усилители 55 типа ТУМ и силовые магнитные дроссели насыщения 54 типа УСО, либо полупроводниковые с тители 55 генератора и в гсокочастотиые генераторы 56. Дроссели иасьидения 54 подсоединены к печному трансформатору 57, связанному с датчиком 55 обратной связи.

Регулирующие устройства могут работать от сигналов (О-±5) Л1.а, (О-5, 5-О-5, О- ±5) в, на выходе выдают сигнал О-20 лш постоянного тока, обеспечивают те же пределы настроек, что и весь регулятор.

Устройство работает следующим образом.

Датчик, уетановленный на обьекте, измеряет регулируемый параметр и 1 одает сигнал на блок иодавления термо-э.д.с., который одновременно является высокостабильиым подавителем и высокостабильным задатчиком температуры.

С диагонали моста, образованной движками неременных сонротнвленнй, снимается э.д.с. выхода, являющаяся линейной функцией перемен 1ения движков. Для термокомненсадии изменения э.д.с. выхода нодавителя при изменении виеишей окру каюн1ей температуры в измерительном мосте и источинке нитания введены термоко-мненснруюн ие медные сонротивлеиия.

Измеряемая разность э.д.с. термопары и подавителя подается в диагональ моста измерительной схемы, к другой диаго 1али которого подводится постоянное напряжение от источника стабилизированного питания.

Напряжение разбаланса поступает па вход усилителя, преобразуется внбропреобразователем и входным трансформатором в пропорциональное переменное напряже И1е, усиливается и поступает на управляющую обмотку двухфазного асинхронного электродвигателя. В зависимости от зиака сигнала разбаланса двигатель вращается в том или другом направлении и неремеи1ает кинематически связанный с ним движок вторичного датчика реохорда до наступления равновесия в измерительной схеме.

Регулировка коэффициента усиления осуществляется но каждому из трех пределов измерения отдельными нотенциометралти. В прибор встроен вторичный датчик, с которого подается соответствуютций разбаланс на регулируюн;ее устройство.

Сигнал, пропорциональный отклонению параметра от заданного значения, поступает на управляемый автогенератор, состоящий из высокоомного модулятора и усилителя.

Частота колебаиий автогенератора определяется параметрами генераторного контура. С управляемого автогенератора сигнал поступает на усилитель напряжения, в коллекторную цепь которого включен второй узкополосный контур, а затем - на усилитель мощности. К выходу регулирующего устройства подключается вход исполнительного устройства (магнитного или тиристорпого. которым управляется мощность, постунающг.я н; электропечь.

сокоомности входов регулирующих устройств, формируюндих законы регулирования с большнми временами интегрирования и дифференцирования, и другие причины вызывают внутренние помехи, что приводит к необходимости включения мощиых фильтров, т. е. больших реактивных элементов и звеньев. Фазовые сдвигн таких фильтров нромежуточного и выходного трансформаторов, модуляторов, .Г1,ел1одуляторов и каскадов усиления ведут к иеустойчивости не только всего регулятора, ио и самих блоков.

Для ликвидации этих явлений в регуляторе в цеиь комненсируюихей обратиой связи измерительного блока вводятся доиолнительные интегро-днфференцируюн1,ие / С-звенья, а в регулируюн;ее устройство-два узконолосных резонансных фильтра. Этим обеснечивается номехозащин1,ениость, т. е. повышается нрецизиолность измерения и регулирования.

Повышение сонротивлення изоляции Zy2 уменьнгает опасность повреждения термоиар и входных цепей измерительных блоков.

Таким образом, предлагаемое устройство имеет следующие специфические особенности:

1)измерительные и входные цепи нзмерительиых блоков помимо общего корпуса прибора помещены в два электромагнитных экрана - заземленный наружный и изолированный внутренний;

2)измерительные и входные цепи измерительных блоков изолированы высокоомной изоляцией от обоих экранов;

3)выходные цепи измерительных и входных цепей последующих блоков разделены от выходных устройств н цепей (силовых и разделительных траисформаторов) двумя экранными обмотками, одна из которых заземлена, а другая подсоединена к изолированным экранам; все обмотки, в том числе и экранн1,1е, изолированы выеокоомной изоляцией;

4)один из концов датчика дополнительным, выравннвающим потепциал всех точек измерительных схем проводом соедииен с изолированным экраиом измерительных блоков;

5)линия связи, соединяюи1ая датчик со входами измерительных устройств, совместно с выравннваюнщм прово.чом заключена в изолированный экран, также соединенный с изолированными экранами;

6)все изолированные экраны всех блоков II линий связи соединены обнпш нроиодом;

7)вход регулируюи1;его устройства гальванически отделен путем механической связи его входа с выходом самонисца;

8)с целью повыщения устойчивости в цепь самописца включены интегро-дифференцирующие фильтры, а в схему регулиру1он1его устройства - два резонансных контура с разне- сенньмп частотами;

9)все блоки -- полунроводпиковые, нмегот широкие диапазоны настроек и малгзШ дрейф; входные блоки могут быть узкоиредельиыми ирецизионными;

10)в регулирующем устройстве применен высокоомный нолупроводниковый на стабилитронах с последовательно-встречным их соединением модулятор;

11)применена блок-схема с минимальным числом блоков.

Эти особенности позволяют получить современные помехозащищенные прецизионные системы автоматического измерения и регулирования н обеспечивают малые габариты, вес, потребляемую мош.ность, хорошую устойчивость, универсальность и унификацию, широкие пределы настроек и достаточно высокую надежность устройства.

Предмет изобретения

Устройство для измерения и автоматического регулирования высоких температур электрических печей, содержаш,ее датчик температуры, например двухэлектродную термопару, и заключенные в заземленные экраны блок подавления термо-э.д.с. со стабилизированным источником питания и измерительной схемой и измерительный блок с измерительным звеном и усилителем, заключенным в свой заземленный экран, причем первичные обмотки силовых н промежуточных трансформаторов обоих блоков заключены в заземленные экранные обмотки, н линии связи между датчиком температуры, блоком нодавлення термоэ.д.с., измернтельным блоком, а также усилителем н измернтельным звеном измерительного блока также заключены в экраны, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения н ре0гулирования, стабнлизированный источник нитапия н измерительная схема блока нодавления термо-э.д.с., входной н промежуточный каскады уснлнтеля н измерительное звено измерительного блока заключены в дополнитель5ные экраны, помепденные внутри заземленных экранов, силовые н промежуточный трансформаторы снабжены дополннтельнымн экранами и экранными обмотками, все дополнительные экраны и экранные обмотки изолированы высокоомной изоляцней от заземлен0ных экранов и элементов блоков н соединены с указанными экранами линий связи, а также посредством дополнительной линии связи - с датчиком температуры, причем донолннтельная лнння связн заключена в тот же экран, в который заключены лнннн связи, отходяш,ие от термопары.

2206

fua I

23,

уТ - - С

J-vL L-..,,r

33

к блоку 6

.и

v

33

I

fuS.-i

а

Ж

.3v

Риг5