Устройство для регулирования температуры Советский патент 1980 года по МПК G05D23/19 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к области регулирования температурь с использованием электрических средств и может бы использовано в различных областях промышленности, в частности при автомати зации технологических процессов для под держания заданного уровня температуры с очень вьГсокой степенью точности. Подобные устрюйства возникли в связи с повышенными требованиями к качеству продукции. Их применение увеличивает выход годной продукции, сокращает срок изготовления продукции повышенного каче тва. Широко известны устройства, в которых поддерживается температура в пределах зоны нечувствительности. Известно устройство для автоматического регулирования температуры , содержащее датчик, задатчик, блок сравнения, ключ, нуль-орган, реверсивный счет чик, форсир тощее устройство, первый генератор, второй генератор, исполнительное устройство, электронагреватель. Недостатком подобного устройства является наличие ошибки регулирования даже при стабильных внешних условиях. Из известных устройств наиболее близкой по технической сущности является система автоматического регулирования температуры 2. Данное устройство имеет схему выработки двух типов сигнала, сдвигающий регистр, генератор импульсов, схему выработки импульсов в момент перехода напряжения сети через нуль, несколько схем запуска тиристоров, несколько силовых Т1фисторных ключей, трансформатор с несколькими отводами, схему, вьфа .- . батывающую сигналы, соответствующие заданной температуре, нагреватель, схему запуска, заставляющие силовые тиристор- ные ключи запускаться только при переходе напряжения сети через нуль, выключатель силового пита1шя при перегреве. К недостаткам устройства можно отнести наличие дополнительных составляющих ошибки в поддержании заданного

уровня температуры и сложность технического выполнения.

Целью изобретения является увеличение точности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры содержит блок изменения угла отсечки и последовательно соединенные второй задатчик температуры, второй блок сравнения и блок управления углом отсечки, второй вход которого соединен с выходом первого блока сравнения и вторым входом второго блока сравнения, третий вход - с выходом генератора импульсов, а выход блока управления углом отсечки соединен с вторым входом реверсивного счетчика, выход которого связан с первым входом блока изменения угла отсечки, второй вход .которого подключен к выходу блока синхронизации, а выход к ВХОДУ блока запуска тиристоров, причем второй выход блока измерения температуры связан с третьим входом второго блока сравнения, блок управления углом отсечки содержит последовательно соединенные триггер и первый элемент И, выхоц которого связан с выходом блока, второй и третий входы первого элемента И соединены соответственно с первым и третьим входами блока, а вход триггера - с вторым входом, второй блок сравнения содержит последовательно соединенные компаратор и BToipoA элемент И выход которого связан с выходом блока, входы компаратора соединены с первь1М и третьим входами блока, с вторым входом которого связан второй вход второго элемента И, а также тем, что, с целью упрощения, блок изменения угла отсечки содержит последовательно соединенные генератор, счетчик, нуль-орган и одновибратор, выход которого связан с выходом блока, второй вход нуль-органа соединен с первь М входом блока, второй 1аход которого связан с вторым входом счетчика.

На фиг. t представлено,устройство для регулирования температуры; на фиг, 2 - блок управления углом отсечки на фиг. 3 - второй блок сравнения; .на фиг. 4 - блок изменения Угпа отсечки.

Устройство содержит второй блок I сравнения, первый блок 2 сравнения, блок 3 измерения температуры, нагреватель 4, генератор 5 импульсов, блок управления углом отсечки, коммутатор 7 тиристорный ключ 8, реверсивный счетчик 9, блок iO изменения угла отсечки, блок II синхронизации, блок 12 запуска

тиристоров, первый задатчяк t3 температуры и второй задатчшс 14 температуры.

БЛОК 6 управления углом отсечки .содержит триггер 15 и первый элемент И 16.

Блок I сравнения содержит компаратор 17 и второй элемент И 18.

Блок 10 изменения угла отсечки содержит генератор 19, нуль-орган 2О, счетчик 21 и одновибратор 22.

На фиг. 1-4 приняты следующие буквенные обозначения:

f-i частота генератора 5импульсов;

частота генератора 19; N - последовательность импульсов, поступающих н.а счетный вход реверсивного счетчика 9;

W - сигнал управления направлением

реверсивного счетчика 9; 6 - потенциальные выходы реверсивного счетчика 9, А - потенциальные выходы счетчика 21; 3 у - сигнал записи фиксированного

числа в реверсивный счетчик 9i М - сигнал о действительной тем. пературе;

Щ - сигнал о заданной температуре; U) - сигнал о заданной температуре, отоичающийся на зону нечувствительности;

N-J - импульсы запуска тиристоров; Na. ощнью импульсы запуска тиристоров;УЛр - импульсы начальной установки

числа в счетчике 21; Ь - напряжение, поступающее на

нагреватели;. С - сигнал равенства; - сигнал о равенстве действительной и заданной температуры; У - сигнал о превышении заданной

температуры на величину Л Т; К - сигнал об аварийном перегреве; р - напряжение силового питания, выключающееся при аварийном перегреве;

bk - сигнал установки триггера в

исходное состояние при включении питания.

Устройство для регулирования температурой работает следующим образом.

В устройстве для регулирования температуры используются сигналы W иУ, определяемые следующим образом. Сигнал W имеет два логических состояния, описываемые следукицим вьфажением: fO, если Г С-г- (сложение) если -fc Ьт (вычитание), tv - заданная температура объекта; fc-j- - действительная температура объекта. Сигнал W/1 описывается следующим выражением; .(ь если tt-C 1о, если Ф fc-f Сигнал W используется, для управлени направлением C40ia реверсивного чика Э. Сигнал W/ используется для разрешения подачи на счетный вход реверсивного счетчика 9 последовательности импульсов Н , определяемой соотношением;Ь ttr . ,ecnH-fc tr.(3) Выражение (3/ справедливо, когда первоначальная температура достигнута. Как следует из соотношений ( l) и (З) в реверсивном счетчике 9 хранится записанное число, которое складывается или вычитается с последовательностью в зависимости от соотношения действи- тельной Ь- и заданной. температур. В случае равенства действительной и заданной температур (t-y - t ) на счетный вход реверсивного счетчика 9 импульсы не поступают, в реверсивном счетчике 9 хранится накопленное число, полученное при достижении заданной температуры. При внешних возмущениях (изменении питающих напряжений, внешных условий и т.д.) нарушается равенст температур, импульсы Ы поступают на счетный вход реверсивного счетчика 9, изменяя накопленное в нем число в необ ходимом направлении до получения новог равновесного состояния. Получению информации о фазовом пер мещении угла отсечки служит, блок Ю изменения угла отсечки ;(фиг.4). Схема рв ботает следующим образом. На счетный вход счетчика 21 поступают импуль сы от генератора 19. На установочный вход счетчика 21. подаются импульсы Импульсы ГЛ с формируются каждый раз, когда амплитуда питающего напряжения сети равна нулю. Каждый импульс из последовательности ГП устанавливает в счетчике 21 заранее выбранное фнксиро- ванное число. Последовательность импул сов f 2. о генератора 19 вычитается из фиксированного числа, записанного ь сче чике 21, уменьшая его содержимое до 256 нуля. Содержимое реверсивного счетчика 9 и счетчика 21 поступает на нульорган 2О. В результате сравнения чиcлa записанного в реверсивном счетчике 9 с последовательностью чисел счетчика 21 на вь1ходе нуль-органа 2О, вырабатывается сигнал С т определяющий угол зажигания Т1фисторов. Этот сигнал образуется на выходе нуль-органа 2О при равекстве чисел, поступающ1гх от реверсивногосчетчика 9 и счетчтса 21. Изменение накопленного числа в ревероюком счетчике 9 пр5шодит к изменению угла зажигания тиристоров тиристорного ключа 8. Таким образом, происходит регулирование температ фы объекта утгравления. Качество регулирования температуры зависит от выбранного диапазона частот ff генератора 5 импульсов. Задача выбора диапазона частот f решается в теории автоматического регул1фования. . Как следует: из описания п{ иниипа действия заявляемое устройство для регулирования температуры в отличие от прототипа имеет долговременное устойчивое равновесное состояние, которое достигается в системе применением бло ка 6 управления углом отсечки, схемы выработки сигнала о равенстве действительной и заданной температур и соответствующим Bi i6opOM объёма счетчика 21 импульсов блока Ю изменения угла от- . сечки. Далее будет рассмотрен вариант практического исполнения блока 6 управлешш углом отсечки и выработки сигнала о равенстве действительной и заданной температур и приведены критерш выбора объема счетчика 21 импульсов блока. Блок управления углом отсечки, приведенный на фиг. 2, работает следующим образом. При включен1Ш питания тригтер 16 устанавливается в исходное состояние, запрещающее прохождеш-ie импульСОВ f через первый элемент И 16. Триггер 15 устанавливается в состояние, разрешающее прохождение импульсов при 1 т.е. W 1. Таким образом, от момента включения до момЪнта достижения заданной температуры на счетный вход реверсивного счетчика 9 не поступают импульсы с генератора 5 импульсов, а благодаря записи различных фиксированных чисел в реверсивный счетчик 9 (в функции от времени) достигается нагрев по любому заданному закону. Подобным техническим решением достигается обеспечение наиболее быстрого 77 достижения заданной температуры при первоначальном включении. После достижения заданной температуры работа реверсивного счетч 1ка 9 определяется сигналами W и , которые определены выражениями (l) и (З). Ниже будет рассмотрена работа устройства при поддержании заданного уровня температуры в случаях, когда -t.-t-T-. т.е. заданная температура больше действительной; -J Т , т.е. заданная температура , равна действительной; If , т.е. заданная температура меньше действительной. В первом случае (, N - i ) Сигна). W 0 определяет операцию сложения. Последовательность импульсо с первого элемента И 16 поступает на счетный вход реверсивного счетчика 9. В результате увеличения числа в ревер сивном счетчике 9 на выходе нульоргана 2О уменьшается угол отсечки импульса запуска тиристоров тиристорно го .ключа 8, что приводит к увеличе}шю напряжения, подаваемого на нагреватель 4. Таким образом, для рассма риваемого случая; когда t i системе создаются условия, при которых С-f повышается. Во втором слу1ае (W/j l,Ns О) в реверсивном счетчике 9 хранится число, накопленное им до получения равновесно Го состояния. Угол отсечки включения т ристоров не изменяется, следовательно, Hte изменяется и напряжение, подаваемо на нагреватель 4. Татшм образом, для случая в устройстве создаются условия для под держания заданного уровня температуры В третьем случае ( W l,)4sf j) сигнал W -1 определяет, операцию вычита ния импульсов И в реверсивном счетчике 9 В результате уменьшения числа в реверси ном считчике9 увеличивается угол отсечк включения тиристоров тафисторного ключа что приводит к уменьшению напряжения подаваемого .на нагреватель 4. Таким образом, для случая 11 - в системе создаются УСЛОВ.ИЯ, при которых 6 уменьшается-. Второй блок I сравнения (фиг.з) вы деляет сигнал W-t , описываемый выражением (2). Выработка сигнала Wy| достигается применением второго элемента И 18 и компаратора 17, ndpor срабатывания которого отличается от порога первого блока 2 сравнения на требуемую зону нечувствительности. Ко 8 аратор 17 вьфабатываег сигнал ываемый следуюш1гм вьфажением: если (л ,Г-1. е. , R если t-j- t tA-fc Как следует из описания приншша действия второго блока 1 сравнения, блока 6 управления углом отсечки в заявляемой системе обеспечено необходимое условие для получения долговременного равновесного состояния. Однако без правильного выбора объема счетчика 21 это условие являeтt;я недостаточном. Очевидно, что для получения долговременного равновесного состояния требуется выби- ра/ь необходимый угол отсечки для включения тиристоров тиристорного ключа 8. Для обеспечения всего рабочего диапазона температур желательно иметь непрерывную регулировочную характеристи.ку. В дискретных системах это может быть достигнуто высокой степенью аппроксимации непрерывной регулировочной,характеристики. Степень аппроксимации в заявляемом устройстве определяется заданным объемом информации (количеством разрядов в счетчике-21). Таким образом., в заявляемом устройстве для регулирования температуры обеспечены необходимые и достаточные условия для получения долговременного равновесного состояния. В то время как в прототипе дополнительные составляющие ошибки поддержания заданной температуры возникают изза применения схемы вьфаботки двухуровневого сигнала и схемы питания нагревателя ступенчатым напряжением, приводящих к отсутствию устойчивого равновесного состояния. В схеме происходит . регулирование температуры даже при от-, сутствии внешних возмущений, что приводит к появлению дополнительных составляющих ошибки поддержания заданной температуры. Заявляемое устройство для регулирования температуры является менее слож- ным по сравнению, с прототипом. В устройствах для регулирования температуры, использующих для управления непосредственно сигналы W и VVj или VV нельзя получить интегральный закон ре гулирования. Для достижения этой цели в прототипе используется сдвигающий регистр, включающий поочередно тирис-. торные ключи, подающие силовое напряжение сети в виде ступень на нагреватель, при этом для получения ступенчатого напряжения используется силовой трансформатор с несколькикш отводами.

В заявляемой системе эта цель достиге ется, как показано выше, иначе. Благодаря построению указанных выше схем в заявляемой системе исключен rpaHc4iopматор с пятью отводами, исключены четыре схемы пуска тиристоров и четьфе силовых т;иристорных ключа.

В заявляемом устройстве достигается первоначальный нагрев по заданному закону благодаря записи фиксированного числа в реверсивный счетчик 9 и работе триггера 15. Это позволяет исключить применение управляемого генератора, имеющегося в прототипе.

Заявляемое устройство выполнено на интегральных элементах промышленных серий, что дает возможность освоить его вьшуск в серийном производстве.

Формула изобретения

t. Устройство для регулирования тем , .содержащее генератор импуль сов,-блок синхронизации, блок запуска тиристоров, последовательно соединенные первый задатчик температуры, первый блок сравнения и реверсивный счетчик, последовательно соединенные блок измерения температуры, коммутатор, ткристорный ключ и нагреватель, причем второй выход блока измерения температуры соединен с вторым входом первого бло ка сравнения, а выход блока запуска ти ристоров - с вторым входом тиристорного ключа, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности устрой, ства, оно содержит блок изменения угла отсечки и последовательно соединенные второй задатчик температуры, второй блок сравнения и блок управления углом отсечки, второй вход которого соединен с выходом первого блока сравнения и вторым входом второго блока сравнения, третий вход - с выходом генератора импульсов, а В151ХОД блока управления углом отсечки соединен с вторым входом реверсивного счетчика, выход которого связан с первым входом блока изменения 5 угла отсечки, второй вход которого подкл5очен к выходу блока сгшхронизации, а выход - к входу блока запуска тхфисто.ров, причем второй выход блока измерения температуры связан с третьим входом

Q второго блока сравнения.

5 выход которого связан с выходом блока, второй и третий входы первого элемента И соединены соответственно с первым и третьим входами блока, а вход триггера - с вторым входом.

„3. Устройство поп. 1,отлича ющ е е с я тем, что второй блок сравнения содержит последовательно соединенные компаратор и второй злеменг И, выход которого связан с выходом блока,

входы Компаратора соединены с первьм и третьим входами блока, с вторым входом которого связан второй вход второго элемента И.

4, Устройство по п. i, о г- л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью упрощения

Э

блок изменения угла отсечтси содержит последовательно соединенные генератор, счетчик, нуль-орган и одновибратор, выход которого связан с выходом блока, второй вход нуль-органа соединен с пер- зым входом блока, второй вход которого связан с вторым входом счетчшса.

Источнитш информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 224933, кл. Сг 05 D 23/19, 1967.

Фи.1

17

w.

19

Wi

18

Puz,

с Г

NI

го

22

21

Фиг.