Устройство для регулирования температуры Советский патент 1981 года по МПК G05D23/19 

- . 1 . .

Изобретение относится к системам автоматического регулирования и может быть применено для программного регулирования температуры, например для выращивания кристаллов.. . .

Известно устройство, содержащее преобразователь аналог-код/ включающий генератор импульсов, блок формирования пилообразного напряжения, подключенный к выходам преобразователя аналог-код, элемент ИЛИ, подключенный к входам преобразователя .аналог-код, пороговый бло, на который подается сигнал, пропорциональный контролируемой температуре,выход которого подключен к выходу преобразователя аналог-кодг дешифратор, блок запуска, триггер управления, элемент И, формирователь двоичного кода, блок перезаписи, формирователь управляющих сигналов, и.сполнительный элемент 1. .. ,

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции, сравнение текущего значения температуры с заданной величиной, кроме того, формирование управляющих сигнало производится не непрерывно, а в определенные промежутки периодов пилообразного напряжения, что снижает

точность регулирования температуры, а также надежность работы устройства.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для регулирования температуры ,содержащее генератор импульсов, первый элемент И, блок формирования пилообразного напряжения, двоичный счетчик, преобразова0тель код-аналог, пороговый блок, компаратор, первый -элемент НЕ, второй элемент НЕ, второй элемент И, третий элемент И, блок запуска, триггер управления, формирователь управ5ляющих сигналов, исполнительный Зле-. мент.

После включения питания блок за-, .пуска устанавливает в исходное состояние двоичный счетчик, исполнитель0ный элемент, а триггер управления переводит S состояние О. Импульсы с выхода генератора импульсов, прой,дя через, элемент И, поступают на вход двоичного счётчика. .Так как

5 выход двоичного счетчика соединен с входом преобразователя код-аналог, то каждое текущее содержимое двоичного счетчика преобразуется в напряжение преобразователем код-аналог.,

0 ;таким образом, на выходе npeoftpaaoвателя код-аналог получаетйя ступен чато возрастающее, т,е. пилообраэное напряжение Р . Это напряжение поступает на первый вход порогового блока, а на второй вход порогового блока поступает напряжение d. с выхода датчика температуры, пропорцио нальное величине ресулируемого пара метра. При /5 оС на выходе порогово /го блока сигнал отсутствует, двоичный счетчик продолжает заполняться импульсами с выхода элемента И и по ,этому напрях ение /i увеличивается, , Когда напряжение р. становится равным оС , т.е. при f5 , на выходе порогового блока получается сигнал 1, который перебросит триггер управления в другое состояние, т.е. в состояние 1. Когда триггер упра ления переходит в состояние 1, заполнение двоичного счетчика импульсами прекращается, и число, находящееся в этот момент в двоичном счетчике является характеристикой регулируемого параметра. Это число запоминается в двоичном счетчике, что соответствует напряжению р на выходе преобразователя код-аналог-. После этого текущее значение регулируемой температуры, т.е. напряжение еС с выхода датчика температуры, нег р ерывно сравнивается с напряжени ем f% в компараторе и в пороговом блоке. В зависимости от знака отклоыения т-экущего значения регулируемой температуры оТ заданной, устройство выра:батывает управляющий си нал, вызываниций увеличение или умень шение управляющего воздействия 2. Недостатком известного устройства является то, что ограничивается только поддержанием температуры j определенном уровне и не позволяет поддерживать температуру на определенном уровне в течение заданного времени, а также понижать температуру с Заданной скоростью в тече ние заданного времени, что особенно важно при выращивании кристаллов. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей известного уст ройств а. Поставленная цель достигается тем, что устройство для регулирования температуры содержит датчик температуры, последовательно соединенные генератор импульсов и первый элемент И, последовательно соединенные блок запуска, основной триггер управления, второй элемент И, формирователь управляющих сигналов и исполнительный элемент, последовательно соединенные компаратор, первый элемент НЕ и третий элемент И, а также последовательно соединенные блок формирователя пилообразного напряжения, пороговый блок и второй элемент НЕ, вход которого соединен со вторым входом основного триггера управления, а выход со вторыми входами второго и третьего элементов И, выход блока формированияпилообразного напряжения соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен ко второму входу порогового блока и выходу датчика температуры, а выход - к третьему входу второго элемента И, третий вход третьего элемента И соединен с выходом основного тр.иггера управления, а выход - со вторым входом формирователя управляющих сигналов, выход блока запуска соединен со вторым входом исполнительного элемента и первым входом блока формирования пилообразного напряжения, а также делитель частоты, последовательно соединенные первый таймер, элемент ИЛИ и дополнительный триггер управления, а также последовательно соединенные четвертый элемент И и второй таймер, выход которого соединен со вторым входом дополнительного триггера управления, причем входы четвертого элемента И подключены соответственно к выходу основного триггера управления и первому входу первого элемента И, второй вход которого подключен к выходу дополнительного триггера управления, а выход - к первым входам первого таймера и делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом блока формирования пилообразного напряжения, а выход блока запуска связан со вторыми входами элемента ИЛИ обоих таймеров и делителя частоты. На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - временная диаграмма работы устройства Устройство для регулирования температуры содержит генератор 1 импульсов, первый элемент И 2, блок 3 формирования пилообразного напряжения, двоичный счетчик 4, преобразователь 5 код-аналог, пороговый блок 6, компаратор 7, пер- . вый элемент НЕ 8 второй элемент НЕ 9, второй элемент И 10, третий элемент И 11, блок 12 запуска, основной триггер 13 управления, формирователь 14 управляющих сигналов, исполнительный элемент 15, датчик 16 температуры, делитель 17 частоты, первый таймер 18, четвертый элемент И 19, второй таймер 20, элемент ИЛИ 21, дополнительный триггер 22 управления. Устройство работает следующим образом. После включения питания, блок 12 запуска устанавливает в исходное состояние первый таймер 18, делитель 17 частоты, двоичный счетчик 4, второй таймер 20, исполнительный элемент 15, а основной триггер 13 управления переводит в состояние О. Кроме того, сигнал с выхода блока 12 запуска, пройдя через элемент ИЛИ 21, переводит дополнительный триггер 22 управления в состояние О. Поэтому основной триггер-13 управления запи ет элементы И 10, И 11 и И 19, а дополнительный триггер 22 управлени запирает элемент И 2, осле этого с помощью уставки Уст, 1 в двоичном счетчике 4 уста навливается заданное значение темпе ратуры которое необходимо под держать постоянным в течение времени Т (линия ВС на фиг. 2) , а с помощью уставки Уст. 2 в делителе 1 .частоты устанавливается такое-значе ние частоты, которое соответствовал бы заданной скорости понижения темп ратуры (линия GD).Так как выход дво ичного счетчика 4 соединён с входом преобразователя 5 код-аналог, то на выходе преобразователя 5 код-аналог получается напряжение {Ь , пропо зцио нальное заданному значению температуры t задНапряжение /ь с выхода преобразо I вателя 5 код-аналог поступает на пе вый вход порогового блока 6 и компа ратора 7. На второй вход порогового блока 6 и компаратора 7 поступает напряжение сб с выхода датчика 16 температуры. После включения цепи нагрева регулируемого объекта, текущее значение температуры возраста ет по линии АВ. Поэтому возрастает и значение напряжения ot- с выхода датчика 16 температуры. В момент времени в , т.е. когда текущее значение температуры равно заданному tjQ,., значение оС также равняется (Ъ , т.е. |b . При этом на выходе порогового блока б получается сигнал, который переводит основной триггер 13 управления в состояние 1. С этого момента, в течение вре мени Т , устройство осуществляет поддержание значения температуры в регулируемом объекте на постоянном значении ,- равном 1зо|д- Это про исходит следующим образом. При переходе основного триггера 13 управления в состояние 1, открываются элементы И 10, И 11 и И 19 Поэтому импульсы с Выхода генер1атора 1 импульсов, пройдя элемент И 19 , поступают на счётный вход второго таймера 20, который начинает измерять временной интервал Т (см. фиг. 2). Для поддержания значения температуры в регулируемом объекте на постоянном уровне, текущее значение регулируемой температуры, т.е. напряжение ot с выхода датчика 16 темпе ратура непрерывно сравнивается с Напряжением fb . . В компараторе 7 и в пороговом бл ке б (чувствительность компаратора выбирают больше или равной чувствительности noporoBOt-o блока). В зет висимости от знака отклонения текущего значения регулируемой температуры от заданной, устройство вырат батывает управляющий сигнет, вызывающий увеличение или уменьшение управляющего воздействия. Например, если текущее значение регулируемой температуры больше от заданного, т.е. , .то на выходе порогового блока 6 получается сигнал. О, а на выходе элемента НЕ 9 высокий потенцисШ, т.е. сигнал 1 Таккак в это время на выходе компаратора 7 имеется высокий потенциал, то сигнал 1 с выхода элемента НЕ 9 проходит через элемент И 10 и поступает в фо эмирователь 14 управляющих сигналов, который вы Забат.ывает сигнал, вызывающий уменьшение управляющего воздействия. При уменьше нии текущего значения температуры до /5 , т.е..при , на выходе порогового блока 6 получается сигнал 1, а на выходе элемента НЕ 9 получается сигнал О, и поэтому на выходе И 10 и И 11 сигнал отсутствует . Если текущее значение регулируе-мой температуры меньше от. заданного, т.е. сС Р , то на выходе порогового блока б сигнал О, а на выходе элемента НЕ 9 - высокий потенциал, т.е. сигнал 1. При оС (i на выхсвде компаратора 7 низкий потенц;иал, т.е. сигнал О, а на выходе элемента НЕ 8 - сигнал 1. Поэтому сигнал 1 с выхода .элемента НЕ 9 проходит через элемент И 11 и поступает в формирователь 14 управляющих сигналов. При увеличении текущего значения температу.ры до (Ь , т.е. при oi В , на выходе .порогового блока б сигнал 1, а на выходе элемента НЕ 9 сигнал О, и доэтому на выходе элементов И 10 и Й11 сигнал отсутствует. Далее регулирование температуры повторяется аналогично. По истечении времени Т , т.е. в момент времени С (см. фиг. 2), на выходе второго таймера 20 получается сигнал и переводит дополнительный триггер 22 управления в состояние 1. С этого момента в течение времени f устройство осуществляет понижение температуры с заданной скоростью (линия CD). Это происходит следующим образом. При пtepexoдe дополнительного триггера 22 управления в состояние 1, открывается элемент И 2, Поэтому импульсы с выхода генератора 1 импульсов, пройдя через элемент И 2, поступают на вход делителя 17 частоты и на счетный вход первого таймера 18, Таким образом, первый таймер 18 начинает измерять время охлаждения Т(см,-фиг, 2). Так как выход делителя 17 частоты соединен со входом двоичного счетчика 4, то

в соответствии, с уставкой уст. 2 с выхода делителя 17 частоты на вход двоичного счетчика 4 поступают импульсы с частотой f. Частота этих импульсов f соответствует заданной скорости, снижения температуры, е ,е. отношению , где л t изменение температуры, С, л .изменение времени, мин. В двоичном счетчике 4 происходит вычитание импульсов, получаемых на выходе дели- .Q теля 17 частоты, с содержимого счетчика 4. Таким образом, в каждом периоде следования импульсов на выходе делителя 17 частоты содержимое двоичного счетчика 4 уменьшается на величину лЬ , т.е.. после первого периода следования импульсов содержимое двоичного счетчика 4 становится равным tzaf а t после второго периода ( 2 t) и Т..Д. В промежутке времени лТ , который соответству- 20 ет периоду следования импульсов.на выходе делителя 17 частоты, значения температуры поддерживаются устройством на постоянном значении аналогично, т.е. в первом периоде следо- 25 вания импульсов устройство поддерйсивает на постоянном значении величину (Ьзод. - л t) во втором периодевеличину (t Зад 2л t) и т.д.

Таким образом., начиная с точки С 0 в течение времени Т температура сии- жается с заданной скоростью ,

л Т т.е. по линии CD.

Процесс снижения температуры за.канчивается в момент времени D . 6 этот момент содерлсание первого таймера 18 достигает значения F . При этом на выходе таймера . 18 вырабатывается сигнал, который Оёрез элемент ИЛИ 21 устанавливает дополнительный триггер 22 управления в состояние О. Дополнительный триггер 22 управления запирает элемент И 2. Этот процесс снижения температуры с заданной скоростью в течение времени Тд заканчивается и устройство возвращается в исходное состояние. После этого с помощью уставки Уст. 1 в двоичном счетчике 4 опять можно установить необходимое значение температуры t ОА помощью уставки Уст. 2 в делителе 17 частоты можно установить необходимую скорость снижения температуры и Ъродесс может неоднократно повториться.

. Предлагаемое устройство позволяет поддерживать температуры на постоянном значении в течение заданного в времени, а также снижать температуры (охлазвдать) с заданной скоростью в течение заданного временного интервала/ что необходимо при управлении технологическими процессами, например при выращивании кристаллов.

Так как предлагаемое устройство построено на цифровых элементах, то„оно практически обеспечивает любую точность регулирования температуры, а также любую скорость снижения температуры (скорость охлаждения) .

Устройство nocTjJoeao на интегральных микросхемах серии К140, К218, К155, К 198 и проведенные его испытания показали правильность. принципа построения и высокую эксплуатационную надежность.

Формула изобретения

Устройство для регулирования температуры, содержащее датчик температуры, последовательно соединенные генератор импульсов и первый элемент И, последовательно соединенные блок, запуска, основной триггер управления, второй элемент И, формирователь управляющих сигналов и исполнительный элемент, последовательно .соединенные компаратор, первый элемент НЕ и третий элемент И, а также последовательно соединенные блок формирования пилообразного напряжения, пороговый блок, и . второй элемент НЕ, вход .которого соединен со вторым входом основного триггера управления, а выход со вторыми входами второго и третьего элементовИ, выход блока формирования пилообразного напряжения соединен с первым входом компаратора, второй вход которого подключен ко второму входу порогового блока и выходу датчика . температуры, а выход - к третьему входу второго элемента И, третий вход третьего элемента И соединен с выходом основного триггера управления, а выход - со вторым входом . формирователя управляющих сигналов, выход блока запуска соединен со вторым входом исполнительного элемента и первым входом блока формирования пилообразного напряжения, о тличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, оно содержит делитель частоты, „последовательно соединенные первыйтаймер, .элемент ИЛИ и дополнительный триггер управления, а также последовательно соединенные четвертый .элемент И и второй таймер, выход которого соединен со вторым входомдополнительного триггера управления, причем входы четвертого элемента И подключены соответственно к выходу основного триггера управления и первому входу первого элемента И, второй вход кото-рого подключен к выходу дополнительного триггера управления, а выход к первым входам первого таймера и делителя частоты, выход которого соединен со вторым входом блока, формирования пилообразного напряжения, а выход блока запуска связан со втор1лми входами .элемента ИЛИ обоих таймеров .и делителя частоты.

Источники информации, принятые во внимание п&и экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР Iv 547736, кл. G 05 D 23/19, 1977.

2.Авторское свидетельство СССР

по заявке № 2644535/18-24, кл. G-05 О 23/19, 1978 (прототип) .

I1|... I . --

Ист..i

Фиг. f

Bpenfl, MUff