УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ НАГРЕВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в теплотехнике для научно-исследовательских и промышленно-технологических работ при необходимости сопоставления и моделирования параметров теплопереноса в импульсно нагреваемом веществе - жидкости (неорганической, органической), а также растворе, эмульсии или суспензии.
Область техники.
Широко известны электроизмерительные приборы сравнения, служащие для сопоставления и регулирования различных величин: напряжения, тока, мощности или других параметров электрических цепей. Такие приборы изготавливают на основе электрических (или электронных) мостовых схем, включающих элементы восприятия (датчики или зонды), измерительные преобразователи (например, термосопротивления), сравнительные преобразователи, различные усилители, средства обработки информации и пр. [см. Малая советская энциклопедия. Государственное научное издательство «Советская энциклопедия», третье издание, 1961, т.10, с.865]
Кроме того, известно устройство для исследования характеристик теплопереноса локально нагретых жидкостей в процессах с импульсным электронагревом. Такое устройство выполнено на основе мостовой электрической схемы и содержит быстродействующий источник питания, силовой элемент в виде проволочного нагревателя-зонда и токового сопротивления, узел масштабирования сигнала тока, состоящий из усилителя и преобразователя, блока регистрации и обработки данных, включающего контроллер цифровой обработки сигнала и аналого-цифровой преобразователь.
Данное устройство позволяет проводить измерения теплофизических свойств с погрешностью 6-7% при ΔT≤300 К.
[см. «Метастабильные состояния и фазовые переходы», сб. науч. трудов. Вып.5, Екатеринбург, УрО РАН, 2001, с.59-72].
Описанные устройства - аналоги, хотя и достаточно просты в сборке и эксплуатации, но работают только в режимах первоначально установленных параметров (тока, напряжения) и не обеспечивают управление процессом измерения во времени.
Известно также наиболее близкое по технической сущности к заявляемой полезной модели устройство электронного управления мощностью нагревателя, представляющее собой электрическую схему последовательно соединенных составляющих: силового элемента, состоящего из проволочного нагревателя - зонда, токового сопротивления и транзистора; блока сравнения; блока выделения сигнала на нагревателе, включающего узел выделения сигнала, пропорционального току; блока регистрации и обработки данных, состоящего из аналого-цифрового преобразователя и компьютера. Причем, электрическая схема устройства - мостовая, а само устройство содержит также блок аналогового деления сигнала тока, дифференциальный усилитель, пропорционально-интегрально дифференциальный регулятор, схему развязки с отдельным питанием и другие составляющие.
Погрешность измерений 10%.
[см. «Метастабильные состояния и фазовые переходы», сб. науч. трудов, Вып.8, Екатеринбург, УрО РАН, 2006, с.102-109 - Копия прототипа прилагается].
Устройство-прототип сложно в сборке, так как скомпановано из большого количества разнообразных мостовых схем и специальных приборов, имеет высокую погрешность измерений и работает только в стационарных режимах первоначально установленных параметров, не обеспечивающих управление процессом измерения во времени.
Сущность полезной модели.
Задачей настоящей полезной модели является создание аналогового электронного устройства, осуществляющего автоматическое управление мощностью нагревателя во времени посредством следящей системы с отрицательной обратной связью.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве электронного управления мощностью нагревателя, представляющем собой электрическую схему последовательно соединенных составляющих: силового элемента, состоящего из проволочного нагревателя-зонда, токового сопротивления и транзистора; блока сравнения; блока выделения сигнала на нагревателе, включающем узел выделения сигнала, пропорционального току; блока регистрации и обработки данных, состоящего из аналого-цифрового преобразователя и компьютера, СОГЛАСТНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ электрическая схема выполнена полумостовой и подключена к генератору функций-импульсов напряжения избранной формы; блок сравнения содержит дискриминатор и усилитель рассогласования; блок выделения сигнала на нагревателе включает также узел выделения сигнала, пропорционального напряжению, и аналоговый перемножитель; а блок регистрации и обработки данных имеет узлы масштабирования сигнала тока и величины напряжения.
Заявляемое «Устройство электронного управления мощностью нагревателя» за счет отличительных конструктивных признаков обеспечивает возможность сравнения параметров выходного сигнала измерителя электрической мощности нагрева зонда во времени с параметрами управляющего сигнала-импульса напряжения заданной формы, например, прямоугольной. При этом, «Устройство электронного управления мощностью нагревателя» просто в изготовлении и эксплуатации и имеет погрешность измерений менее 0,2%.
На Фиг.1 представлена Блок-схема заявляемого «Устройства электронного управления мощностью нагревателя».
На Фиг.2 приведена Принципиальная электрическая схема предлагаемого «Устройства электронного управления мощностью нагревателя».
Обозначения на фигурах:
I - Генератор функций
II - Блок сравнения
III - Блок выделения сигнала на нагревателе
IV - Блок регистрации и обработки данных
V - Силовой элемент
1 - Дискриминатор
2 - Усилитель рассогласования
3 - Узел выделения сигнала, пропорционального току
4 - Узел выделения сигнала, пропорционального напряжению
5 - Аналоговый перемножитель
6 - Узел масштабирования сигнала тока
7 - Узел масштабирования величины напряжения
8 - Аналого-цифровой преобразователь
9 - Компьютер
10 - Транзистор
11 - Токовое сопротивление
12 - Проволочный нагреватель-зонд.
3
Заявляемое «Устройство электронного управления мощностью нагревателя» работает следующим образом: нагреватель-зонд 12 помещают в исследуемый образец. На генераторе функций I задают форму и амплитуду сигналов. При этом, с узла масштабирования сигнала тока 6 и узла масштабирования величины напряжения 7 идут сигналы на аналого-цифровой преобразователь 8 и компьютер 9, на котором с помощью специальной программы производится визуализация и расчет мощности и температуры зонда во времени. То есть, процесс измерения и управления состоит в сравнении амплитуды сигнала, пропорционального подводимой к нагревателю мощности с управляющим сигналом напряжения на входе устройства. Разностный сигнал усиливается и служит для управления силовым элементом V таким образом, чтобы компенсировать возможные отклонения параметров импульса мощности от заданной формы. На выходе аналогового перемножителя 5 формируется сигнал, пропорциональный подводимой к зонду 12 мощности. Суть управления состоит в минимизации отклонений параметров импульса мощности от заданной формы. Общее усиление в петле обратной связи имеет значение 10 по порядку величины, что позволяет получить ошибку поддержания заданного режима мощности менее 0,2%. Одновременно с запуском импульсного нагрева аналого-цифровой преобразователь 8 переходит в режим записи сигналов, поступающих на его входы. Массив данных этих сигналов (изменение напряжения и тока во времени) служат для расчета изменения мощности нагрева, сопротивления и температуры зонда 12 во времени. Полученные в результате измерений данные выводятся в графическом виде в соответствующих вкладках программы компьютера 9.
Анализ известных технических решений позволяет сделать вывод о том, что заявляемая полезная модель не известна из уровня исследуемой техники, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Возможность изготовления заявляемого устройства из узлов и деталей, серийно выпускаемых на предприятиях приборостроения отечественной промышленности или закупаемых у зарубежных производителей, свидетельствует о соответствии полезной модели критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Пример использования устройства электронного управления мощностью нагревателя.
Заявляемое устройство реализовано в лабораторных условиях института теплофизики УрО РАН (г.Екатеринбург) при использовании следующих приборов или иных составляющих, выпускаемых отечественными предприятиями или закупаемых у зарубежных производителей:
- Аналоговый перемножитель AD734 (ошибка перемножения составляет 0,1%)
- Транзистор КТ872А
- Аналого-цифровой преобразователь L card 14-440 (14 Бит, частота преобразования 400 кГц)
- Компьютер с программным обеспечением
- Платиновая проволока диаметром 10 или 20 мкм - материал для нагревателя-зонда.
3
Для управления мощностью нагревателя-зонда 12 (термометр сопротивления) на генераторе функций I задавали форму - прямоугольную и амплитуду сигнала - 2,5 В. Нагреватель - зонд 12 помещали в пробирку с пробой - маслом и включали электрическую схему. При этом с узла масштабирования сигнала тока 6 и узла масштабирования величины напряжения 7 шли сигналы на аналого-цифровой преобразователь 8 и компьютер 9, на котором с помощью специальной программы производилась визуализация и расчет мощности и температуры во времени. То есть, процесс измерения и управления состоял в сравнении амплитуды сигнала, пропорционального подводимой к нагревателю мощности с управляющим сигналом напряжения на входе устройства. Разностный сигнал усиливался и служил для управления силовым элементом V таким образом, чтобы компенсировать возможные отклонения импульса мощности от заданной формы. На выходе аналогового перемножителя 5 формировался сигнал, пропорциональный, подводимой к зонду 12, мощности. Суть управления состояла в минимизации отклонений импульса мощности от заданной формы. Общее усилие в петле обратной связи имело значение 10 по порядку величины, что позволило получить ошибку поддержания заданного режима мощности 0,15%. Одновременно с запуском импульсного нагрева аналого-цифровой преобразователь 8 переходил в режим записи сигналов, поступающих на его входы, массив данных которых (напряжение и ток) сопровождались расчетом изменения мощности нагрева, сопротивления и температуры зонда 12 во времени. Полученные в результате измерений данные выводились в графическом виде в соответствующих вкладках программы компьютера 9.
В результате серии опытов по испытанию заявляемого устройства установлено, что оно позволяет получить любую форму мощности на нагревателе, в соответствии с условиями эксперимента, и, в частности, прямоугольную, что соответствует режиму постоянной мощности на нагревателе в условиях нагрева до высоких температур (1000 К), в том числе, на фоне быстропротекающих фазовых переходов в веществе, сопровождающихся резким возмущением теплового потока.
-4
6
2
Заявляемое устройство может работать в условиях переноса тепла в масштабе характерных времен процесса от 1·10 с, скоростей нагрева до 1·10К/с и плотностей теплового потока до 10 МВт/м при заданной форме кривой мощности нагрева.
Как видно из описания конструкции, работы и примера конкретного использования, заявляемое «Устройство электронного управления мощностью нагревателя» имеет следующие технические и общественно полезные преимущества:
- обеспечение возможности управления мощностью нагревателя за счет сравнения выходного и управляющего сигналов измерителя;
- низкую погрешность измерений (менее 0,2%);
- простоту изготовления и эксплуатации.