УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ С БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к измерительной технике и электронным автоматизированным системам управления с беспроводной передачей измерительной информации и может быть использована для регулирования и стабилизации температуры в электрических инерционных печах высоких температур.
Из существующего уровня техники известно устройство для стабилизации температуры изделия [1], содержащее связанные между собой цепи питания, последовательно соединенные датчик температуры, усилитель, подключенные ко второй цепи питания, и транзистор, выход которого совместно с первой цепью питания образует выход устройства для подключения нагревателя, последовательно соединенные второй датчик температуры, второй усилитель, подключенные к третьей цепи питания, и генератор тока, выход которого включен последовательно с упомянутым транзистором и подключен к общей цепи питания устройства, первый и второй датчики температуры, транзистор и генератор тока выполнены с возможностью минимизации переходного теплового сопротивления относительно изделия, на котором устройство устанавливается. Однако, недостатком данного устройства является применение аналоговой схемы для формирования выходного регулирующего воздействия, к тому же, применение простейшего алгоритма для стабилизации температуры не позволяет достигнуть высокой точности стабилизации температуры.
Известно также устройство для регулирования температуры [2]. Устройство содержит последовательно включенные термочувствительный узел, усилитель с переключательной характеристикой компаратора и нагреватель, вводится высокоомный резистор последовательно в цепь терморезистора. При этом резистор подключен к общей шине, а цепь терморезистора подключена к шине питания. Схема электрическая усилителя построена таким образом, чтобы он потреблял энергию, меньшую более чем на порядок, когда нагреватель выключен. Недостатками данного технического решения являются: использование терморезисторов, что не позволяет измерять высокие температуры до 1200°С, сложность управления задания температуры регулирования устройства, к тому же невозможность ведения цифровой записи температуры от времени проходящих процессов.
Наиболее близким по технической сути (прототипом) является программатор температуры [3], содержащий мост сопротивлений, источник питания, программный задатчик напряжения, операционный усилитель, усилитель терморегулятора, подключенный к точке соединения сопротивлений и имеющий на выходе нагреватель, находящийся в тепловом контакте с сопротивлением, при этом программный задатчик напряжения дополнительно содержит сопротивление, которое одним выводом подключают к его первому выходу, а в качестве источника питания используют стабилизатор напряжения, один выход которого подключен к точке соединения сопротивлений моста, а второй выход «заземлен» вместе со вторым выходом задатчика напряжения и с неинвертирующими входами усилителя терморегулятора и операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с точкой соединения сопротивлений и с вторым выводом сопротивления. К недостаткам прототипа можно отнести применение мостовой схемы и несовременной элементной базы для измерения температуры не обеспечивает требуемой точности стабилизации температуры и невозможность подключения к персональному компьютеру, что, в свою очередь, не обеспечивает индикации и визуализации измерительной и управляющей информации, а также невозможность беспроводного управления и передачи измеренных данных с помощью SMS-сообщений
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является: полная автоматизация системы управления и регулирования температуры нагревателя, применением современной элементной базы, повышение безопасности работы с высоковольтной и высокоточной нагрузкой за счет применения гальванических развязок, повышение удобства использования устройства за счет сопряжения с персональным компьютером и беспроводным управлением и передачей измеренных данных с помощью SMS-сообщений, что позволяет использовать устройство баз непосредственного участия пользователя.
Данная задача решается за счет того, что заявленное устройство для автоматического регулирования температуры с беспроводной передачей измерительной информации содержит силовой модуль с высокотемпературным реактором и блоком нагревателей, симисторный блок, трансформаторный блок, измерительный модуль с датчиками температуры и управляющий модуль. Новизна заключается в том, что, измерительный модуль с датчиками температуры в виде четырех термопар К-типа, выходы которого подключены к блоку четырех термопарных усилителей с компенсацией напряжения на холодном спае, а его выход связан с входом блока четырехканального масштабирующего усилителя, выходы которого подключены ко входам аналогово-цифровых преобразователей микроконтроллера управляющего модуля, содержащего четыре взаимосвязанных блока, первый из которых блок гальванической развязки, второй блок сопряжения с персональным компьютером, третий блок персональный компьютер с интерфейсом USB и последний блок GSM-модуль, к тому же выходы микроконтроллера подключены к входам блока индикации состояния комплекса и блоку гальванической развязки, выход которого подключен к входу схемы управления мощностью, причем управляющий модуль, измерительный модуль и силовой модуль подключены последовательно.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является полная автоматизация системы управления и регулирования температуры нагревателя, применение современной элементной базы, повышение безопасности работы с высоковольтной и высокоточной нагрузкой за счет применения гальванических развязок, а также повышение удобства использования устройства за счет сопряжения с персональным компьютером и беспроводным управлением с передачей измеренных данных с помощью SMS-сообщений.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на фигуре 1 которой изображено устройство для автоматического регулирования температуры с беспроводной передачей измерительной информации:
На фиг.1 - содержит силовой модуль 1 с высокотемпературным реактором и блоком нагревателей 1.1, симисторным блоком 1.2, трансформаторным блоком 1.3, измерительный модуль 2 с датчиками температуры 2.1, выходы которых подключены к входу блока четырех термопарных усилителей с компенсацией напряжения на холодном спае 2.2, выход которого связан со входом блока четырехканального масштабирующего усилителя 2.3, выходы которого подключены ко входам аналогово-цифровых преобразователей микроконтроллера 3.2 управляющего модуля 3, содержащего четыре взаимосвязанных блока, первый из которых блок гальванической развязки 3.3, другой блок сопряжения с персональным компьютером 3.4, третий персональный компьютер с интерфейсом USB 3.5 и последний блок GSM-модуль 3.6, к тому же выходы микроконтроллера 3.1 подключены к блоку индикации состояния комплекса 3.7 и блоку гальванической развязки 3.9, выход которого подключен к входу схемы управления мощностью 3.8, причем управляющий модуль 3, измерительный модуль 2 и силовой модуль 1 подключены последовательно.
Работает устройство следующим образом.
Термопары Т1-Т3 2.1 измеряют температуру поверхности реактора. Термопара Т4 2.1 погружается непосредственно в рабочую зону реактора 1.1. Все термопары 2.1 изготовлены спаем хромель-алюмель-преобразователь К-типа (материал положительного термоэлектрода - сплав хромель 90.5% Ni+9.5% Cr, отрицательного термоэлектрода - сплав алюмель 94.5% Ni+5.5% Al, Si, Mn, Co). Коэффициент термоЭДС в диапазоне рабочих температур 0-1300°С составляет 35-42 мкВ/°С. Это позволяет проводить измерения в широком интервале температур от 0°С до 1100°С. Блок четырех термопарных усилителей 2.2 компенсирует напряжения на холодном спае всех термопар 2.1. Четырехканальный усилитель 2.3 масштабирует сигналы термопар в соответствии с максимальным и минимальным уровнями сигналов АЦП1-АЦП4 3.2. Микроконтроллер 3.1 считывает значения АЦП 3.2 и производит расчет управляющего воздействия на схему управления мощностью 3.8. Эта схема гальванически развязана 3.9 от силовой части 1, что обеспечивает защиту управляющей 3 и измерительной 2 части. Микроконтроллер 3.1 имеет гальванически развязанную 3.3 двунаправленную связь с персональным компьютером (ПК) 3.5. Микроконтроллер 3.1 отсылает измеренные значения температуры в ПК 3.5. С помощью интерфейсной программы ПК 3.5 производится визуализация процесса термостабилизации. Это реализуется с помощью графика зависимости текущей температуры в реакторе 1.1 от времени. Управление всем комплексом производится с ПК 3.5 посредством специализированной интерфейсной программы.
Блок индикации состояния комплекса 3.7 вынесен на переднюю панель силового модуля 1. Его задача - индикация наличия питания управляющего 3 и измерительного модуля 2, а также состояния работы трех нагревателей 1.1.
Формирование выходного управляющего воздействия на схему управления мощностью 3.8 рассчитывает и формирует микроконтроллер 3.1 по измеренным четырем температурам согласно пропорционально-интегрально-дифференциальному (ПИД) закону регулирования. Коэффициент ПИД-регулирования задаются с ПК 3.5 непосредственно после подключения и тестирование определенной нагрузки в виде нагревателя 1.1. При подключении другой нагрузки коэффициенты подбираются в соответствии с ней.
Закон изменения температуры с течением времени задается в ПК 3.5. После этого ПК 3.5 обменивается сообщениями с микроконтроллером 3.1 по USB-каналу с передачей данных о поддерживаемой температуре. В соответствии с этим микроконтроллер 3.1 формирует выходной воздействие на схему управления мощностью 3.8. Стабилизация температуры производится по классическому ПИД-закону регулирования [4]. Алгоритм ПИД-регулирования реализован программно. Т.к. в работе используется симисторный блок 1.2, включающийся и выключающийся только в момент перехода сетевого напряжения через ноль, то регулирование выделяющейся мощности происходит изменением количества полупериодов сетевого напряжения за фиксированный момент времени, т.е. при изменении длительности импульсов, подаваемых на схему управления мощностью 3.8 от МК 3.1. Длительность импульсов соответствует минимальной порции энергии. Фиксированный момент времени соответствует максимальной выделяемой мощности.
(1) и (2) - являются основными формулами, по которым производится расчет выделяющейся мощности.
;
,
p
i
d
где k, k, k - пропорциональная, интегральная и дифференциальная составляющие ПИД-закона регулирования. Данные параметры подбираются экспериментально;
уст
T - температура-уставка;
1
2
T, T - отсчеты температуры, взяты через время, соответствующее максимальной выделяющейся мощности;
1
2
t, t - отсчеты времени, соответствующие максимальной выделяющейся мощности.
02
Числитель формулы (1) нормируется на значение мощности P0 при температурах T01 и T. Такая нормировка позволяет устанавливать уровень температуры, начиная с которого начинается производиться расчет выделяющейся мощности согласно ПИД-закону регулирования. Данное значение подбирается экспериментально исходя из наилучшего переходного процесса регулирования.
К ПК 3.5 подключен GSM-модуль 3.6, передающий SMS-сообщения на заданный номер телефона о состоянии четырех температур. При аварийной ситуации пользователь может отключить устройство отправкой соответствующего SMS-сообщения.
В результате тестирования получены следующие характеристики устройства:
- Электронный терморегулятор с оптосимисторным управлением.
- Управление установкой производится микроконтроллером.
- Устройство имеет ручное управление уровнем температуры.
- Устройство имеет сопряжение с ПК.
- Устройство пересылает данные об измеренной температуре и управляется через SMS-сообщения с помощью GSM-модуля
- Терморегулятор работает по ПИД-закону регулирования.
- Диапазон поддерживаемых температур: 100°С-1100°С.
- Точность поддержания высокой температуры (500°С-1000°С) не превышает 0.8°С.
- Точность поддержания низкой температуры (200°С-500°С) составляет 1.5°С.
Изготовлен опытный образец-прибор, который используется в лаборатории для отжига высокотемпературной сверхпроводящей керамики (ВТСП), что позволяет автоматизировать данный процесс. Достаточно указать временную зависимость температуры от времени и запустить прибор. Важна также и высокая точность поддержания высокой температуры (0.8°С), т.к. при некоторых методах изготовления ВТСП керамики, например при ступенчатом изменении температуры, этот параметр играет очень важную роль.
Источники информации:
1. Патент RU 2359309 C2. Устройство для стабилизации температуры изделия.
2. Патент RU 2160920. Устройство для регулирования температуры.
3. Патент RU 2363030 C1. Программатор температуры (прототип).
4. Наладка средств автоматизации и автоматических систем регулирования: Справочное пособие / А.С.Клюев, А.Т.Лебедев, С.А.Клюев, А.Г.Товарнов; Под ред. А.С.Клюева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 386 с.: ил.