УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ Советский патент 1939 года по МПК G05D23/22 

Известно регулирование температуры, давления и тому подобных величин, выражаемых в виде разности потенциалов или электродвижущей силы, при котором рабочий орган, управляющий регулируемым процессом, автоматически устанавливается в положение, в точности соответствующее заданному режиму. В этом случае, при нарушении равновесия между развиваемой термопарой электродвижущей силой и заданной разностью потенциалов на концах введенной в компенсационную цепь части обмотки потенциометра, исполнительный механизм изменяет положение рабочего органа в направлении, восстанавливающем нарушенный нормальный режим регулируемого процесса, и одновременно вводит в компенсационную цепь термопары дополнительную разность потенциалов, уравновешивающую вместе с заданной на регулирующем потенциометре разностью потенциалов электродвижущую силу термопары.

Эта дополнительная разность потенциалов, тем или иным путем, принудительно и постепенно уменьшается, что вызывает новое нарушение равновесия, а, следовательно, и новое корректирующее перемещение рабочего органа, причем перемещения эти постепенно уменьшаются, а с уменьшением этих перемещений уменьшается и величина вводимой в компенсационную цепь дополнительной разности потенциалов. Когда эта последняя становится равной нулю, рабочей орган устанавливается в положение, соответствующее равновесию между заданной разностью потенциалов и электродвижущей силой термопары, служащей первичным измерительным прибором.

В устройствах для осуществления такого регулирования введение в компенсационную цепь термопары при нарушении равновесия, дополнительной разности потенциалов и последующее принудительное уменьшение этой: разности потенциалов достигаются при: помощи вспомогательного потенциометра и механизмов, вызывающих взаимное перемещение двух движков; потенциометра или самого потенциометра и его движка. Такое устройство, в виду требующейся прецизионной кинематической связи между отдельными элементами механизма, является довольно дорогим.

Настоящее предложение предусматривает устройство для достижения указанной цели, в котором, однако, совершенно отсутствуют движущиеся во время работы этого устройства части, и действие которого основано на неодинаковой быстроте нагревания двух термопар, питающих одну цепь и одинаково нагреваемых источником тепла, температура которого зависит от положения рабочего органа, управляющего регулируемым процессом.

Электрическая схема предлагаемого устройства изображена на прилагаемом чертеже. В компенсационную цепь термопары 1, являющейся первичным измерительным прибором, кроме регулирующего потенциометра 2, на котором устанавливается заданная разность потенциалов, и гальванометра 3, подающего исполнительному механизму 4 командные импульсы при нарушении равновесия в компенсационной цепи, включены встречно две термопары 5 и 6.

Термопара 5 приварена к цилиндрической нагревательной спирали 7 малого диаметра, а термопара 6 помещена внутри этой спирали. Нагревательная спираль 7 вместе с термопарами 5 и 6 заключена в стеклянный цилиндрик 8, закрытый с обоих концов крышками 9 и 10 из диэлектрика. Концы спирали присоединены к стерженькам 11 и 12, а концы термопар к стерженькам 13 и 14. Эти четыре стерженька, проходящие через крышку 9, вставляются в штепсельную розетку 21, при, помощи которой термопары 5 и 6 включаются в компенсационную цепь термопары 1, а нагревательная спираль 7 в электрическую цепь, питаемую переменным током.

В эту последнюю цепь включены реостаты 15 и 16. Подвижной рычаг реостата 15 кинематически связан с исполнительным механизмом 4 и с рабочим органом 17 (например, клапаном), управляющим регулируемым процессом. При изменении положения рабочего органа изменяется положение контактного рычага реостата 15 и, следовательно, изменяется и сила тока в цепи, питающей нагревательную спираль 7, и нагрев этой спирали.

Проводники, образующие термопару 5, берутся очень малого сечения, благодаря чему термопара 5 очень быстро реагирует на изменение степени нагрева спирали 7. Один проводник термопары 5 является общим и для термопары 6, а второй проводник последней представляет собой стержень значительно большего сечения. Благодаря этому, нагревание и охлаждение термопары 6 будет происходить медленнее, чем термопары 5.

Для того, чтобы можно было регулировать время, в течение которого температура спая термопары 6 будет уравниваться с температурой спая термопары 5, сразу приобретающего температуру нагревательной спирали 7, в крышке 10 установлен винт 18, на конце которого укреплен колпачок 19. При помощи этого колпачка можно заэкранировать в требуемой мере спай термопары 6 и, тем самым, замедлить его нагрев.

Действие описанного устройства следующее. Когда в регулируемом агрегате поддерживается нормальный режим, термопары 5 и 6 одинаково нагреты, и даваемые ими в отдельности электродвижущие силы, направленные в противоположные стороны, взаимно уничтожаются. При этом, электродвижущая сила термопары 1 компенсируется разностью потенциалов на концах введенной в компенсационную печь части обмотки потенциометра 2. Зеркальный гальванометр 3 занимает нормальное (нулевое) положение.

Если, по какой-либо причине, нормальный режим процесса нарушается, равновесие в компенсационной цепи также нарушается и через рамку гальванометра проходит в том или ином направлении ток, благодаря чему рамка и зеркальце отклоняются в ту или другую сторону и, с помощью фотореле, дается командный импульс исполнительному механизму 4. Последний, в зависимости от направления некомпенсированного в цепи термопары 1 тока, перемещает в ту или другую сторону рабочий орган 17. Одновременно перемещается и рычаг реостата 15 и увеличивается или уменьшается сила тока в цепи, питающей нагревательную спираль 7.

Если, например, сила тока в цепи увеличивается и нагрев спирали усиливается, спай термопары 5 сразу приобретает температуру спирали 7, тогда как температура спая термопары 6 будет возрастать постепенно.

Благодаря этому, термопары 5 и 6 дадут электродвижущую силу, направленную навстречу некомпенсированной электродвижущей силе термопары 1. По мере перемещения рабочего органа электродвижущая сила эта будет возрастать и, когда она станет равна некомпенсированной электродвижущей силе термопары 1, гальванометр станет в нулевое положение, соответствующее равновесию в цепи термопары 1, и перемещение рабочего органа прекратится.

Однако, равновесие это вслед за этим моментом может быть нарушено, так как температура термопары 6, возрастая, будет приближаться к температуре термопары 5 и, следовательно, электродвижущая сила, даваемая этими термопарами совместно, будет уменьшаться.

С другой стороны, вследствие большего открытия рабочего органа, будет увеличиваться электродвижущая сила термопары 1.

В результате, если уменьшение электродвижущей силы, даваемой совместно термопарами 5 и 6, не будет уравновешиваться увеличением электродвижущей силы термопары 1, гальванометр опять отклонится и через фотореле подаст новый командный импульс исполнительному механизму. Рабочий орган опять переместится, причем направление перемещения будет зависеть от того, быстрее ли увеличивается электродвижущая сила термопары 1, чем уменьшается общая электродвижущая сила термопар 5 и 6, или наоборот. В первом случае рабочий орган будет передвигаться в сторону, противоположную первоначальному перемещению, во втором случае он будет перемещаться в том же направлении, что и раньше.

При обратном перемещении рабочего органа нагрев спирали станет слабее, термопара 5 быстро охладится до температуры спирали, а термопара 6 будет охлаждаться медленнее, вследствие чего возникает электродвижущая сила, направленная в обратную сторону. Абсолютный размер перемещений рабочего органа, независимо от их направлений, будет постепенно уменьшаться, пока, наконец, рабочий орган не займет положения, соответствующего заданному режиму.

Если уже при незначительном перемещении рабочего органа возникает относительно большая электродвижущая сила, уравновешивающая нарушенный баланс в компенсационной цепи термопары 1, то восстановление нарушенного равновесия будет происходить очень медленно, все уменьшающимися ступенями и, при известных условиях, может вообще не наступить. Наоборот, если при относительно значительном перемещении рабочего органа термопары 5 и 6 дают незначительную общую электродвижущую силу, то, вследствие большой амплитуды колебаний в ту или другую сторону рабочего органа, время, в течение которого он будет приведен в положение, соответствующее нормальному режиму регулируемого процесса, будет также велико.

Для приведения в соответствие хода рабочего органа с электродвижущей силой, даваемой совокупно термопарами 5 и 6 при перемещении рабочего органа, а, следовательно, и рычага реостата 15, на определенную величину, применен реостат 16, с помощью которого можно отрегулировать нагрев спирали 7.

Так как термопары 5 и 6 занимают, как показано на чертеже, разные положения по отношению к нагревательной спирали 7, термопара 5 может нагреваться несколько сильнее, чем термопара 6. Чтобы устранить это явление, предусматривается расположенный со стороны термопары 5 и поглощающий часть излучаемого спиралью 7 и термопарой 5 тепла экран 20.

1. Устройство для регулирования температуры с применением термопары, включенной последовательно с гальванометром, управляющим исполнительным механизмом, и с компенсационным потенциометром, подвижная часть которого механически связана с исполнительным механизмом, отличающееся тем, что с целью компенсации электродвижущей силы, возникающей при изменении процесса, в компенсационную цепь включены две диференциально соединенные термопары, из коих одна расположена внутри, а вторая - снаружи нагревательного элемента, питаемого электрическим током, сила которого с помощью реостата автоматически регулируется исполнительным механизмом.

2. Форма выполнения устройства по п. 1, отличающаяся тем, что, с целью регулирования нагрева термопар, применены экраны 20, 19, из коих первый выполнен неподвижным, а второй - перемещаемым с помощью винта 18.