УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ Советский патент 1934 года по МПК G05D23/20 

Для получения постоянной температуры в электрических печах различных типов и назначений, принципиально, самым прямым и самым точным методом было бы поместить в печь индикатор температуры и через сервомотор, приводимый в действие индикатором, воздействовать на потребляемую печью мощность. Однако, такой метод не представляет необходимой простоты. Муфели печей, сушильных шкафов и т.д. всегда обладают достаточной теплоемкостью, и, обычно, внутренность печи мало теплоемка, топлопроводность же муфелей недостаточна. Все это приводит к столь заметным запаздываниям в ходе температуры на нагревательном элементе и внутри печи при изменениях тока, что неустойчивость температуры подчас очень значительно превышает чувствительность индикатора. Особенно тяжелы условия такого регулирования при пользовании техническим током с мало постоянным напряжением, обычная точность такого регулирования 5°-10°.

Попытки обойти это затруднение и повысить точность приводят или к печам совершенно специального типа, не имеющим широкой ценности или к употреблению в сервомоторе сложных систем реле или чувствительных гальванометров с фотоэлементом.

Такое положение дел привело к исканию прямого и более чувствительного метода, основанного на поддержании постоянства температуры платиновой обмотки лабораторных печей (см. Журнал эксперим. и теор. физики, 1, вып. 5, 1931 г.).

Несмотря на высокую точность, эти регуляторы могут иметь лишь ограниченное поле применения в лабораториях. Они несколько сложны и связаны с применением нагревательных элементов из пластин. Единственным широко применяемым прибором этой группы является регулятор Haagn, приготовляемый фирмой Heraeus.

Точность его работы невелика (5°), он тоже связан с платиновыми печами и требует специальной техники изготовления (рвущая ток лампа со ртутью).

Так как чрезвычайно нужен терморегулятор, способный обслужить печи с хромоникелевыми обмотками, а регулирование непосредственно от температуры внутри муфеля затруднительно, то заслуживают всяческого внимания косвенные методы регулирования - стабилизация потребляемой печью энергии.

Практически обычно поддерживают V=const или i=const контактными вольт- или амперметрами.

Самым правильным было бы стабилизовать непосредственно мощность, создав условие

где V - падение напряжения, на нагревательном элементе, r - его сопротивление.

Предлагаемое устройство для регулирования температуры относится к устройствам, у которых помещенный в печь термометр сопротивления управляет подачей отрицательного напряжения на сетку катодной лампы, воздействующей на управляющее нагревом печи реле.

В предлагаемом устройстве для регулирования температуры в цепь сетки катодной лампы включен контактный термометр с нагревательной обмоткой, введенной в цепь термометра сопротивления.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства для регулирования температуры в электрических печах.

Предлагаемое устройство состоит из контактного термометра 6, снабженного нагревательной обмоткой, включенной в цепь термометра сопротивления 10 через регулирующий реостат 7. Один из контактов термометра 6 соединен с сеткой катодной лампы 2, питаемой от трансформатора 1, а второй нижерасположенный контакт присоединен к катодному полюсу трансформатора. В цепь анода катодной лампы 2 последовательно включено постоянное сопротивление 4 и промежуточное реле 3, управляющее замыканием контактов электрической цепи со включенным в нее исполнительным реле 9. В цепь промежуточного реле 3 параллельно включен конденсатор 5, а в цепь исполнительного реле 9 включен искрогасительный конденсатор 7′.

Термометр 6 представляет собою запаянный стеклянный баллон, состоящий из наполненного бензолом резервуара с расширениями 3′ и 5′, в которое помещена пропаянная через стенку нагревательная обмотка (нихром, константан). На дне резервуара налита ртуть, запирающая выводную трубку 2′.

При нагревании расширяющийся бензол выталкивает ртуть по трубке 2¹ в баллончик 3′. При прогрессирующем нагревании вверху резервуара образуется пузырек насыщенных паров бензола, который, увеличиваясь, продолжает вытеснять ртуть.

При этом, благодаря сжатию воздуха в расширениях 3′ и 5′ давление на ртуть и пары бензола возрастет, достигая, когда ртуть входит в капилляр, 2-4 атмосфер. Внизу капилляра впаян контакт, над ним второй, который, замыкаясь через ртуть с нижним, приведет в действие реле, когда бензол достигает рабочей температуры. Противодавление сжатого воздуха будет понижать чувствительность закрытого резервуара; поэтому, объем единицы длины капилляра выбирается ничтожно малым по сравнению с остающимся объемом 5′ (капилляр около 1 мм² сечением).

Чувствительность термометра составляет по данным испытания заявители около 0,025° на 1 мм поднятия ртути при температуре его в 105°, отсюда грубоприкинутое постоянство мощности печи под регулятором будет около 0,02%, откуда можно заключить о возможной аккуратности регулирования.

Теплоемкость бензола в термометре составляет около 3-5 калорий - величина весьма малая по сравнению с теплоемкостью печей, так что колебания температуры от толчкообразной регулировки получаются даже менее сотых градуса.

Чтобы установить некоторую среднюю мощность и температуру печи, нужно, когда печь, разогреваемая дополнительной цепью, достигает этой температуры, ток в нагревательной обмотке термометра поднять до нужной величины (постоянной для постоянных условий работы термометра), регулируя реостат 7, и несколько увеличить ток печи, задавая перегрев реостатом 2.

При постоянной работе легко прокалибровать реостат термометра. Тогда требуется лишь поставить его на нужное деление и включить печь.

Подогретый до температуры θ° термометр соответственным включением приводит в действие промежуточное реле 3, и исполнительное реле 9 регулятора выключает часть тока, питающего печь. Эта часть реостатом устанавливается так, чтобы при ее включении печь получала избыток энергии, а при выключении - недостаток.

Реостатом же устанавливается и величина тока в ответвлении с клемм печи в термометр так, чтобы при полном токе в регулируемой печи термометр перегревался выше температуры θ°, а при уменьшенном - остывал ниже θ°.

Тогда, остывая, термометр будет вновь выключать полный ток, достигнув, же температуры θ°, - опять выключать и т.д., т.е., по существу говоря, регулируя ток печи, он будет поддерживать собственную температуру на высоте θ°, и если термометр 6 достаточно чувствителен, то температура его за все время работы будет столь мало отклоняться в обе стороны от θ°, что эту температуру с полным правом можно считать вполне постоянной. Если и окружающее термометр пространство тоже обладает постоянной температурой (если этому условию не удовлетворяет воздух комнаты, оно легко осуществляется проточной водой из водопровода в кожухе вокруг термометра), он будет каждую единицу времени отдавать одну и ту же энергию, а следовательно, оставаться при одной и той же температуре он может, лишь получая в среднем за единицу времени - любым способом - обязательно ту же энергию, что теряет. Эта теряемая и приобретаемая энергия, выраженная через Джоулево тепло нагревателя термометра, напишется:

где r₂ - сопротивление нагревательной обмотки термометра, a υ - падение напряжения на ней.

Тогда определение работы регулятора напишется, как или т.к. r₂ есть величина постоянная, как υ²=const.

Из чертежа видно, что падение напряжения V на регулируемой печи связано с падением υ на обмотке термометра:

где r₁ - сопротивление реостата 7. Поэтому определяемое работою условие можно вместо υ²=const переписать в виде kV²=const или, так как k есть численная величина, V²=const.

На самом же деле печь работает или на избыточной мощности или на недостаточной , действующих в соответственные времена τ₁ и τ₂, где r - сопротивление нагревательного элемента печи.

Термометр, устанавливая своей работой условие: средняя мощность равна const, тем самым устанавливает

где есть средняя мощность за один период регулирования (включение и выключение). Колебание напряжения, питающего печь, изменит V₁ и V₂; тогда терморегулятор изменит времена τ₁ и τ₂ так, чтобы всегда

оставалось const, т.е. будет всегда поддерживать неизменной мощность, потребляемую печью за период регулировки, а следовательно, и за все время работы.

Единственным вопросом является, не приведет ли существование двух мощностей за период регулировки к постоянным колебаниям температуры вниз и вверх около средней.

Если инерция термометра меньше, чем инерция муфеля печи, колебания температуры внутри ее будут при этом меньше, чем колебания температуры термометра, которая может быть сделана достаточно малой.

Катодная лампа 2 работает на полуволне как вентиль со свободной сеткой (давая до 10 m А выпрямленного тока). Выпрямленный ток создает на сопротивлениях реле 3 и катушки 4 отрицательное относительно нити накала падение потенциала. Подав его на сетку лампы через контакт термометра 6, превращают вентиль в реле, так как при замыкании контакта сила выпрямленного тока падает в 5-10 раз (1-2 mA). Такое изменение тока (от 10 до 2 mA) совершенно надежно управляет промежуточным телефонным реле.

Устройство для регулирования температуры в электрических печах с помещенным в печь термометром сопротивления, управляющим подачей отрицательного потенциала на сетку катодной лампы, воздействующей на реле, включающее и выключающее нагревательное сопротивление печи, отличающееся тем, что для подачи потенциала на сетку в цепь последней включен контактный термометр с нагревательной обмоткой, введенной в цепь термометра сопротивления.