РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ОБЪЕМНОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель относится к области регулирования и измерения температуры и может быть использовано для регулирования температуры нагрева объемных объектов.
Известна полезная модель, содержащая генератор прямоугольных импульсов, конденсатор, задатчик температуры срабатывания, преобразователь частота-напряжение, регистратор (см. а.с. 1525480, МПК G01K 7/34, "Релейный датчик температуры", опубл. 30.11.89. Бюл. №44)
Недостатком известной полезной модели является то, что для измерения температуры объемных объектов, таких как помещения, емкости для жидкостей, задействованные в производственном процессе, потребуется несколько автономных измерителей температуры, коммутаторы, преобразователи, вычислитель для определения средней температуры, что уменьшает надежность работы системы.
Известна полезная модель, содержащая три ступени регулирования, в том числе термодатчик, первый, второй и третий задатчики температуры, первый и второй компараторы, исполнительный блок, вентилятор (см. патент на полезную модель №36149 «Устройство управления автоматического поддержания температуры с использованием трех ступеней регулирования». Опубл. 27.02.2004. Бюл. №6).
Недостатком полезной модели является то, что показание температуры снимается в одной точке объекта. При нагреве объемных объектов температура в разных областях внутреннего пространства объекта будет не одинакова. Определить одним измерителем температуры место в пространстве, в котором температура близка средней, трудно выполнимо. Так, например, при сушке габаритных изделий разной формы и при разном заполнении внутреннего пространства, или в случае принудительного создания потоков воздуха вентилятором, температурное поле каждый раз будет менять свою конфигурацию. Поэтому возникает методическая погрешность установки задатчиков температуры компараторов.
У последней ступени регулирования температуры при нагреве нижнее и верхнее напряжение порога переключения на выходе равны. При работе в таком режиме температура изменятся медленно и выходное напряжение компаратора восприимчиво к шумам на входе см., например, Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. С. 344, 345). Это вызывает хаотическое переключение напряжения на выходе компаратора, и, как следствие, хаотическое переключение нагревателей.
Наиболее близкой полезной моделью того же назначения к заявленному устройству по совокупности признаков является сигнализатор температуры, содержащий генератор прямоугольных импульсов из нечетного количества инверторов цифровой интегральной микросхемы, соединенных по кольцевой схеме, и выходом генератора прямоугольных импульсов является выход любого выбранного инвертора, к каждому выходу инвертора подключен конденсатор, и конденсаторы с подводящими проводами размещают на объекте регулирования температуры в выбранных местах, выход преобразователя частота-напряжение соединяют с первым входом первого компаратора, второй вход компаратора соединен с выходом первого задатчика температуры (см. патент №2702685, МПК G01K 7/34, «Сигнализатор температуры», опубликован 09.10.2018 Бюл. №28) и принятый за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании «Сигнализатора температуры», принятого за прототип, является увеличение погрешности измерения температуры с увеличением длины проводников, соединяющих выходы кольцевого генератора с емкостями конденсаторов.
Технический результат заключается в уменьшении погрешности измерения температуры объекта и в осуществлении управления нагрева объемного объекта заданной амплитудой изменения температуры нагрева.
Технический результат достигается тем, что в известном регуляторе температуры объемного объекта, содержащий генератор прямоугольных импульсов из нечетного количества инверторов цифровой интегральной микросхемы, соединенных по кольцевой схеме, и выходом генератора прямоугольных импульсов является выход любого выбранного инвертора, к каждому выходу инвертора подключен конденсатор, и конденсаторы с подводящими проводами размещают на объекте регулирования температуры в выбранных местах, выход преобразователя частота-напряжение соединяют с первым входом первого компаратора, второй вход компаратора соединен с выходом первого задатчика температуры, отличие заключается в том, что в него дополнительно введен делитель частоты, первый, второй и третий электронный коммутатор, блок электронагревателей, второй компаратор, триггер Шмитта, второй и третий задатчик температуры, вентилятор, кабель витая пара, так, что выход кольцевого генератора соединен с входом делителя частоты, выход которого соединен с первым входом второго компаратора и первым входом триггера Шмитта, а выходы второго и третьего задатчика температуры соединены со вторым входом второго компаратора и триггера Шмитта, и выходы первого, второго компараторов и триггера Шмитта соединены со входами управления первого, второго и третьего коммутаторов, коммутационные входы которых с одной стороны соединены с сетью электроснабжения и с вентилятором, а с другой стороны соединены с блоком электронагревателей, причем в качестве подводящих проводов к конденсаторам используют кабель витая пара.
Сущность регулирования температуры объемного объекта заключается в следующем. В технологических процессах нагрева в объемных объектах, внутренняя температура может быть неравномерно распределена. В процессе сушки, например, образуются потоки воздуха, нагнетаемые вентилятором. Обдув вентилятором уменьшает также величину перегрева объемного объекта при автоматическом регулировании, вызванную инерционностью блока электронагревателей. Этими потоками обдуваются и датчики температуры. Изменение положения обрабатываемых изделий или изменение их формы ведет к перераспределению потока, а значит и к изменению температуры в месте расположения датчиков. Поэтому необходимо снимать температуру с нескольких датчиков и определять среднюю температуру нагрева. Аппаратно определить среднее значение можно с использованием многоканальных счетно-решающих устройств, на каждый канал которого поступает сигнал с преобразователей температуры в напряжение. Каждый преобразователь, в свою очередь, представляет собой законченное устройство и может быть разной степени сложности. Наличие большого количества электронных компонентов приводит к увеличению стоимости системы, уменьшению ее надежности.
В прототипе и в заявленной полезной модели измерить среднюю температуру объекта можно с помощью кольцевого генератора на инверторах цифровых интегральных микросхем, где на выход каждого инвертора подключен конденсатор, используемый в качестве датчика температуры. Используют конденсаторы с линейной зависимостью емкости от температуры. Группа температурного коэффициента емкости (ТКЕ) таких конденсаторов обозначается буквой М и является отрицательной величиной.
Частота F кольцевого генератора определяется по формуле:
зад
где m - нечетное количество инверторов кольцевого генератора; R - внутреннее сопротивление инвертора, С - емкость конденсатора; τ - время задержки одного инвертора. Так как инверторы микросхемы изготовлены в едином технологическом цикле, а корпус микросхемы находится вне зоны нагрева и изменения температуры, то можно принять, что внутренние сопротивления всех инверторов равны и неизменны.
Конденсаторы размещены в разных зонах объемного объекта с разными температурами, поэтому выражение (1) можно записать следующим образом:
0ср
0ср
ср
где: С - средняя емкость конденсаторов при начальной средней температуре объемного объекта Т; ΔС - приращение средней емкости конденсаторов.
ср
ср
В свою очередь, приращение средней емкости конденсаторов будет равно ΔС=(-ТКЕ)⋅ΔТ. Тогда выражение (2) будет равно
0ср
где: ТКЧ - температурный коэффициент частоты кольцевого генератора; Т - средняя начальная температура объемного объекта.
Температурный коэффициент частоты ТКЧ определяется стандартным методом путем размещения конденсаторов в термостате и измерения изменения частоты кольцевого генератора при изменении температуры термостата.
пар.ср
В прототипе конденсаторы соединены с выходами инверторов кольцевого генератора проводами. Покажем влияние средней паразитной емкости проводов С на чувствительность полезной модели. Зависимость частоты генерации от температуры имеет следующий вид:
0пар.ср.
0ср
где: С - средняя паразитная емкость проводов при начальной температуре Т.
0пар.ср.
ср
ср
Видно, что алгебраическая сумма С+(-ТКЕ)⋅ΔТ меньше изменение полезного сигнала (-ТКЕ)⋅ΔТ, т.е. уменьшается чувствительность полезной модели. Если не учитывать паразитную емкость проводов, то увеличится погрешность измерения. Оценим емкость С двух параллельных проводов в системе СГС на 1 метр длины (см. Википедия. Электрическая емкость):
пар.
где ε=5 - диэлектрическая проницаемость вещества изоляции; l=100 см - длина проводника; d - расстояние между жилами проводов; а - радиус жилы провода. Формула используется при условии d>2а, выбрали d=4а. Так как 1 см емкости - 1,1126 пФ, то С=488 пФ/м. Для объектов размерами порядка 10 метров паразитная емкость С≈5 нф/м, что соизмеримо с емкостью нагрузок инверторов кольцевого генератора.
Для уменьшения паразитной емкости в заявленной полезной модели используется кабель витая пара. Емкость 1 метра витой пары составляет 17-56 пФ/м, что на порядок меньше емкости проводов в жгутах (см., например, Дэвид Бейли, Эдвин Райт Волоконная оптика: теория и практика / Пер. с англ. - М: КУДИЦ-ПРЕСС, 2008. С. 46).
Для уменьшения погрешности измерения, температурный коэффициент частоты кольцевого генератора определяется вместе с подводящим кабелем витая пара определенной длины к каждой емкости нагрузки.
В заявленной полезной модели рассматривается регулятор температуры на примере камеры сушки нагретым воздухом с принудительным обдувом блока электронагревателей вентилятором. Инерционность электрических нагревательных элементов за счет обдува снижается. Нагревательные элементы могут представлять собой ТЭНы различной формы. Имеется три режима нагрева: разгон, умеренный нагрев и регулирования температуры. При разгоне включены все нагревательные элемента блока электронагревателей. При умеренном режиме используется часть мощности, величина которой определяется характером объекта нагрева. В режиме регулирования температуры мощность блока электронагревателей расходуется на компенсацию потерь греющей мощности и на регулирование температуры в узком диапазоне ее изменения.
Первые два режима управляются компараторами, а режим регулирования температуры управляется аналоговым триггером Шмитта. У триггера Шмитта верхний порог напряжения срабатывания отключает электронный коммутатор, а нижний порог напряжения срабатывания включает (см., например, Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. С. 347-349). Причем, напряжение порога срабатывания второго компаратора выше первого, а напряжение нижнего порога срабатывания триггера Шмитта выше напряжения порога срабатывания второго компаратора. За счет уменьшения интенсивности нагрева в третьем режиме регулирования уменьшается влияние инерционности нагрева после отключения ТЭНов и перегрев объекта уменьшается.
На фиг. представлена структурная схема регулятора температуры объемного объекта.
Полезная модель содержит кольцевой генератор 1, конденсаторы 2, кабель витая пара 3, делитель частоты 4, преобразователь частота-напряжение 5, первый компаратор 6, первый задатчик температуры 7, второй компаратор 8, второй задатчик температуры 9, триггер Шмитта 10, третий задатчик температуры 11, первый коммутатор 12, второй коммутатор 13, третий коммутатор 14, блок электронагревателей 15, вентилятор 16.
Полезная модель работает следующим образом. В исходном состоянии первый 12, второй 13 и третий 14 коммутаторы замкнуты. Первый задатчик температуры 7 устанавливает на втором входе первого компаратора 6 напряжение, пропорциональное максимальной температуре нагрева в режиме разгона, второй задатчик температуры 9 устанавливает на втором входе второго компаратора 8 напряжение, пропорциональное максимальной температуре нагрева в режиме умеренного нагрева, третий задатчик 11 устанавливает на втором входе триггера Шмитта 10 напряжение, пропорциональное максимальной температуре нагрева в режиме регулирования температуры. Установка осуществляется вручную и зависит от габаритных размеров и физических характеристик объекта нагрева. Устанавливают датчики температуры 2 с кабелем витая пара 3 внутри объемного объекта. Если необходимо, датчики температуры 2 с витой парой 3 устанавливаются на объекте нагрева в выбранные места. Первый провод кабеля витая пара соединяют в кольцевом генераторе 1 с выходом инвертора, а второй провод с общим проводом питании. Необходимо учитывать, что чем больше датчиков температуры 2, тем ниже частота генерации. Интегральные преобразователи частота-напряжение, к которым относится преобразователь частота-напряжение 5, работают в узкой низкочастотной полосе. На делителе частоты 4 тогда необходимо будет уменьшить коэффициент деления, если частота кольцевого генератора 1 после делителя частоты 4 будет меньше 10 Гц. Так, например, преобразователь частота-напряжение на микросхеме LM 331 работает в диапазоне часто 10 Гц ÷ 5 кГц. В этом диапазоне напряжение изменяется максимально от 0,025 до 12,5 В.
Включают сеть электроснабжения. Объект нагревается в режиме разгона температуры. Мощность нагрева максимальная. Включается вентилятор 16 обдува блока электронагревателей. При достижении температуры объемного объекта температуры первого задатчика 7, срабатывает первый компаратор 6. Коммутатор 12 размыкается. Уменьшается количество нагревательных элементов в блоке электронагревателей 15. Осуществляется умеренный режим нагрева. Скорость нагрева уменьшается. При достижении температуры объемного объекта температуры второго задатчика 9, срабатывает второй компаратор 8. Коммутатор 13 отключает большее количество нагревательных элементов в блоке электронагревателей 15. Нагрев переходит в третью стадию - регулирования температуры. Температура объекта изменяется плавно. При достижении температуры объемного объекта температуры третьего задатчика 11, срабатывает триггера Шмитта 10. Коммутатор 14 отключает полностью блок электронагревателей 15. Из-за продолжающего обдува воздухом нагревательных элементов и малой скорости изменения температуры перегрев объекта минимизирован. Начинается охлаждение объекта за счет тепловых потерь. Температура объекта снижается до значения напряжения нижнего порога срабатывания триггера Шмитта 10, который установлен выше порога срабатывания компаратора 8. Опять включается коммутатор 14. В дальнейшем процессы нагрева и охлаждения повторяются с постоянной амплитудой изменения температуры нагрева.
Таким образом, технический результат полезной модели подтвержден, а именно, уменьшена погрешности измерения температуры объекта, управление нагревом объекта осуществлено с заданной амплитудой изменения температуры нагрева.