СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВЫХОДНОГО ВОЗДУШНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF TEMPERATURE OF OUTPUT AIRSTREAM AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемое изобретение относится к области хранения сельскохозяйственной продукции в условиях использования природного холода и тепла для создания воздушных потоков с заданной температурой при реализации различных технологических режимов обработки продукции.
Известен способ регулирования температуры выходного воздушного потока, в котором смешивают два входных потока при изменении их объемного содержания в выходном потоке, задают требуемое значение температуры выходного потока, измеряют температуру выходного потока, сравнивают ее с заданным значением, при отклонении измеренной температуры от заданной изменяют объемное содержание входных потоков в выходном до достижения равенства температуры выходного потока заданному значению. Известный способ и устройство, реализующее его, описаны в [1, 2].
Устройство содержит модуль изменения объемного содержания входных потоков в выходном, средства измерения температуры выходного потока, привод управления модулем, исполнительный механизм. Устройство и способ, описанные в [1], приняты за прототип.
Недостатками способа и устройства являются высокая колебательность и длительность процесса достижения заданного значения температуры выходного потока и увеличенный расход энергии на процесс регулирования. Указанные недостатки обусловлены тем, что измеритель температуры воздушного потока обладает значительной инерционностью установления выходного сигнала при изменении свойств потока вследствие изменения объемного содержания входных потоков в выходном. В этом случае регулирование температуры выходного потока по отклонению реальной температуры от заданной осуществляется в условиях, когда при достаточно быстром изменении содержания входных потоков измеритель на выходе измеряет температуру неустановившегося потока. С момента изменения объемного содержания входных потоков проходит некоторое время, прежде чем измеритель покажет реальную температуру, соответствующую моменту изменения. Инерционность измерителя приводит к тому, что в момент фиксации равенства измеренной температуры заданному значению, когда надо прекратить изменение объемного содержания входных потоков, это содержание уже изменилось на величину, пропорциональную скорости его изменения. Отклонение температуры выходного потока при этом произойдет в сторону, противоположную предыдущему отклонению. Возникают перерегулирование и колебания, процесс установления удлиняется по времени, причем, чем быстрее происходит изменение объемного содержания входных потоков в выходном, тем больше будут колебания и продолжительность их существования. Это ведет к увеличению расхода энергии на процесс регулирования и к усиленному износу электромеханических устройств, участвующих в регулировании.
Технической задачей заявляемого изобретения является снижение колебательности и длительности процесса достижения заданного значения температуры выходного потока и уменьшение расхода энергии на процесс регулирования.
Указанный в задаче результат достигается тем, что в предлагаемом способе дополнительно задают величину интервала времени, предшествующего моменту отсчета измеряемой температуры, отсчет температуры осуществляют по истечении заданного интервала времени одновременно для выходного и входных первого и второго потоков, запоминают измеренные значения температуры, запомненное значение температуры выходного потока сравнивают с заданным значением, при отклонении запомненного значения температуры выходного потока от заданного определяют расчетное значение величины объемного содержания входных потоков в выходном, изменяют объемное содержание входных потоков в выходном, устанавливают реальное значение величины объемного содержания, равного расчетному, в момент достижения равенства расчетной и реальной величин объемного содержания начинают отсчет заданного интервала времени, по истечении заданного интервала времени делают отсчет и запоминание значений температуры потоков, вновь сравнивают запомненное значение температуры выходного потока с заданным значением, при наличии отклонения определяют новое расчетное значение величины объемного содержания входных потоков в выходном, вновь изменяют объемное содержание входных потоков в выходном, устанавливают новое реальное значение величины объемного содержания, равное новому расчетному значению, и далее повторяют действия по отсчету заданного интервала времени, измерению и запоминанию температуры потоков, сравнению температуры выходного потока с заданной до момента достижения запоминаемым значением температуры выходного потока заданного значения, при достижении равенства прекращают изменение объемного содержания входных потоков в выходном и продолжают периодические отсчеты и запоминание температуры потоков, сравнение значений температуры выходного потока с заданным значением через промежутки времени, равные величине заданного интервала времени.
Устройство для регулирования температуры выходного воздушного потока согласно изобретению содержит модуль изменения объемного содержания входных потоков в выходном, электропривод управления модулем, датчик объемного содержания входных потоков в выходном, датчик температуры выходного потока, блок сравнения температуры выходного потока с заданным значением, коммутатор электрической цепи пуска и останова электропривода управления модулем, коммутатор электрической цепи имеет первый и второй входы и выход, модуль изменения объемного содержания входных потоков в выходном снабжен подвижным элементом для изменения объемного содержания смешиваемых входных потоков, выход электропривода управления модулем механически соединен с подвижным элементом и входом датчика объемного содержания входных потоков в выходном, электрический вход электропривода подключен к выходу коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, на второй вход блока сравнения температуры подано заданное значение температуры выходного потока, отличающееся тем, что в него дополнительно введены датчик температуры первого входного потока, датчик температуры второго входного потока, коммутатор сигналов датчиков температуры, запоминающее устройство, вычислительный блок, элемент сравнения сигналов и таймер, коммутатор сигналов датчиков температуры имеет четыре входа и выход, запоминающее устройство имеет вход и два выхода, вычислительный блок снабжен двумя выходами и входом, элемент сравнения сигналов снабжен двумя входами и выходом, вход таймера соединен с выходом элемента сравнения сигналов и выходом блока сравнения температуры, выход элемента сравнения сигналов соединен с первым входом коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, первый вход элемента сравнения сигналов соединен с первым выходом вычислительного блока, второй вход элемента сравнения сигнала соединен с выходом датчика объемного содержания входных потоков в выходном, второй выход вычислительного блока соединен со вторым входом коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, вход вычислительного блока соединен с первым выходом запоминающего устройства, второй выход запоминающего устройства соединен с первым входом блока сравнения температуры выходного потока, вход запоминающего устройства соединен с выходом коммутатора сигналов датчиков температуры, первый вход коммутатора сигналов датчиков температуры соединен с выходом датчика температуры первого входного потока, выход датчика температуры второго входного потока соединен со вторым входом коммутатора, третий вход коммутатора соединен с выходом датчика температуры выходного потока, а выход таймера соединен с четвертым входом коммутатора сигналов.
Заявляемый способ регулирования температуры выходного воздушного потока отличается от известного, принятого за прототип, тем, что дополнительно задают величину интервала времени, предшествующего моменту отсчета измеряемой температуры, измеряют температуру входных воздушных потоков, отсчет температуры осуществляют по истечении заданного интервала времени одновременно для выходного и входных первого и второго потоков, запоминают измеренные значения температуры, сравнивают значение температуры выходного потока с заданным значением, при отклонении запомненного значения температуры выходного потока от заданного определяют расчетное значение величины объемного содержания входных потоков в выходном, изменяют и устанавливают реальное значение величины объемного содержания, равное расчетному, в момент достижения равенства расчетной и реальной величин объемного содержания начинают отсчет заданного интервала времени, по истечении заданного интервала времени вновь делают отсчет и запоминание значений температуры потоков, вновь сравнивают запомненное значение температуры выходного потока с заданным значением, при наличии отклонения определяют новое расчетное значение величины объемного содержания входных потоков в выходном, вновь изменяют и устанавливают новое реальное значение величины объемного содержания, равное новому расчетному значению, и далее повторяют действия по отсчету заданного интервала времени, измерению и запоминанию температуры потоков, сравнению температуры выходного потока с заданной до момента достижения запоминаемым в очередном цикле измерений значением температуры выходного потока заданного значения, при достижении равенства прекращают изменение объемного содержания входных потоков в выходном и продолжают периодические отсчеты и запоминания температуры потоков, сравнение значений температуры выходного потока с заданным значением через промежутки времени, равные величине заданного интервала времени.
При таком способе регулирования температуры выходного потока происходит более быстрое приближение температуры выходного потока к заданному значению, так как измерение температуры выходного потока делается с большей достоверностью в условиях установившегося потока с заданной выдержкой времени после прекращения изменения объемного содержания входных потоков в выходном. Перерегулирование и колебательность процесса уменьшаются либо исключаются, так как реальная величина объемного содержания в каждом цикле действий приближается к расчетной таким образом, чтобы установить значение температуры выходного потока максимально близким к заданному значению за минимальное количество циклов. При этом контроль температур происходит непрерывно, а отсчеты - только во время стационарного состояния выходного потока. Общее время регулирования уменьшается, так как процесс можно осуществлять при повышенной скорости изменения объемного содержания входных потоков в выходном без перерегулирования. Таким образом достигается уменьшение колебательности и длительности процесса установления заданного значения температуры выходного потока и уменьшение расхода энергии на процесс регулирования.
Устройство для реализации способа отличается от известного, принятого за прототип, тем, что содержит дополнительно датчики температуры первого и второго входных потоков, коммутатор сигналов датчиков температуры, запоминающее устройство, вычислительный блок, элемент сравнения сигналов и таймер. Коммутатор сигналов датчиков температуры имеет четыре входа и выход, запоминающее устройство имеет вход и два выхода, вычислительный блок снабжен двумя выходами и входом, элемент сравнения сигналов снабжен двумя входами и выходом, вход таймера соединен с выходом элемента сравнения сигналов и выходом блока сравнения температуры, выход элемента сравнения сигналов соединен с первым входом коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, первый вход элемента сравнения сигналов соединен с первым выходом вычислительного блока, второй вход элемента сравнения сигнала соединен с выходом датчика объемного содержания входных потоков в выходном, второй выход вычислительного блока соединен со вторым входом коммутатора электрической цепи пуска и останова электропривода, вход вычислительного блока соединен с первым выходом запоминающего устройства, второй выход запоминающего устройства соединен с первым входом блока сравнения температуры выходного потока, вход запоминающего устройства соединен с выходом коммутатора сигналов датчиков температуры, первый вход коммутатора сигналов датчиков температуры соединен с выходом датчика температуры первого входного потока, выход датчика температуры второго входного потока соединен со вторым входом коммутатора, третий вход коммутатора соединен с выходом датчика температуры выходного потока, а выход таймера соединен с четвертым входом коммутатора сигналов.
Устройство позволяет делать отсчеты температуры в моменты, когда не происходит изменения объемного содержания входных потоков в выходном, что повышает достоверность контроля температуры выходного потока.
Наличие вычислительного устройства позволяет определить направление и величину изменения объемного содержания входных потоков для обеспечения более быстрого и точного приближения температуры выходного потока к заданному значению.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию изобретения "новизна".
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки способа и устройства в их совокупности. Таким образом заявляемые способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения "изобретательский уровень".
Предлагаемый способ и устройство для его осуществления могут быть использованы в системах регулирования и стабилизации параметров микроклимата складских помещений, при хранении сельхозпродукции с использованием природных холода и тепла для активной вентиляции. Макетирование устройства подтвердило эффективность действия способа и устройства в условиях, близких к производственным. Таким образом предлагаемые способ и устройство удовлетворяют критерию изобретения "промышленная применимость".
0
2
1
2
3
у
и
0
1
2
1
8
Способ и устройство поясняются чертежами, где на фиг.1 показаны упрощенные временные диаграммы изменения сигналов датчиков в процессе изменения объемного содержания от начального α до конечного расчетного значения α, а на фиг.2 представлена структурная схема устройства. На фиг.1 обозначены: T - температура первого входного потока; Т - температура второго входного потока; Т - температура выходного потока; Т - заданная температура выходного потока; Д - длительности интервалов времени; (α, α, α) - обозначения расчетных величин объемного содержания входных потоков в выходном; (t-t) - обозначения моментов времени; t - текущее время.
3
у
1
2
и
1
2
3
0
3
у
1
1
На диаграммах фиг.1 показан процесс приближения температуры выходного потока Т к заданному значению Т при неизменных значениях температуры входных потоков Т и Т. Моменты начала отсчета и запоминания значений температуры, длительности заданных интервалов времени показаны на диаграмме Д. Изменение величины объемного содержания входных потоков в выходном представлено на диаграмме α(t) (пунктирная ломаная линия). Исходное состояние процесса представлено значениями температуры Т, Т, Ти исходным значением величины объемного содержания α в момент времени t=0. Так как Т>Т, то согласно способу определяется в промежутке времени (0-t) расчетное значение α величины объемного содержания по формуле, отражающей объемное содержание входных потоков в выходном:
1
2
31
2
1
α=(T-T)/(T-T),
31
1
где Т - температура выходного потока в момент времени t.
1
2
0
1
2
1
3
1
2
3
3
у
3
у
3
4
34
2
4
5
2
5
6
2
3
3
у
7
2
3
у
7
1
3
4
6
7
3
у
3
у
В промежутке времени t-t изменяют реальное объемное содержание с величины α до расчетной величины α. В момент t, когда достигается равенство α=α, прекращают изменение α, начинают отсчет заданного промежутка времени (показан штриховкой), величина которого определяется временными характеристиками измерителей температуры. По истечении заданного промежутка времени (момент времени t), делают отсчет и запоминание текущих значений температуры Т, Т, Т, сравнивают Т с Т. На графиках показан случай, когда Т>Т. В этом случае определяют(в промежутке времени t-t) по приведенной выше формуле с подстановкой значения Т новое расчетное значение α и начинают изменение объемного содержания входных потоков. В промежутке времени (t-t) достигается равенство α=α, и вновь начинается отсчет заданного промежутка времени (t - t)=(t - t), новое обновление запоминаемой информации и сравнение запомненной температуры Т с заданной Т. Показано, что, начиная с момента времени t, фиксируется состояние α, при котором Т=Т, поэтому дальнейшего изменения величины α не требуется, но действия по контролю продолжаются (начало очередного цикла - t). В промежутках времени (0-t), (t-t), (t-t) осуществляют измерение и запоминание значений температуры, сравнение Т с Т, расчет значений величины α, инициализацию изменения объемного содержания входных потоков в выходном по результатам сравнения текущего значения Т с заданным значением Т.
3
у
На фиг.2 обозначены: 1 - первый входной воздушный поток; 2 - второй входной воздушный поток; 3 - выходной воздушный поток, полученный смешиванием входных потоков в модуле 4 изменения объемного содержания входных потоков в выходном. В модуле 4 имеется подвижный элемент 5, механически связанный с электроприводом 6 и датчиком 7 объемного содержания входных потоков в выходном (связи механические на фиг.2 показаны пунктирными линиями); 8 - датчик температуры первого входного потока; 9 - датчик температуры второго входного потока; 10 - датчик температуры выходного потока; 11 - коммутатор электрической цепи пуска и останова электропривода; 11.1 - первый вход коммутатора ("Стоп"); 11.2 - второй вход коммутатора ("Пуск"); 12 - элемент сравнения сигналов датчика объемного содержания 7 и выходного сигнала вычислительного блока 13; 12.1, 12.2 - соответственно первый и второй входы элемента сравнения сигналов; 13 - вычислительный блок; 13.2 - второй выход вычислительного блока; 14 - коммутатор сигналов датчиков температуры; 14.1, 14.2, 14.3 - информационные входы сигналов датчиков температуры; 14.4 - управляющий вход коммутатора; 15 - запоминающее устройство; 15.1, 15.2 - первый и второй выходы запоминающего устройства; 16 - блок сравнения запомненного значения температуры выходного потока Т с заданным значением Т; 17 - таймер.
Устройство работает следующим образом. В модуле 4 происходит смешивание входных потоков 1, 2 и образование выходного потока 3. Объемное содержание входных потоков в выходном можно регулировать, изменяя положение подвижного элемента 5, например, поворотом заслонки в воздуховоде (как условно показано на фиг.2). Каждому положению подвижного элемента 5 соответствует свое объемное содержание входных потоков в выходном, поэтому датчиком 7 объемного содержания может быть, например, преобразователь угла поворота либо линейного смещения подвижного элемента в электрический сигнал.
у
3
у
3
у
Основная функция устройства - получение на выходе модуля 4 воздушного потока 3 с заданной температурой Т для подачи потока 3 вентилятором, включенным на выходе модуля 4 (на рисунке не показан), в технологическую зону хранилища. В случае произвольного изменения температуры входных потоков можно, изменяя положение подвижного элемента 5, добиться сохранения установленного значения температуры выходного потока либо изменения этой температуры в соответствии с заданием. Датчики температуры 8, 9, 10 измеряют температуру непрерывно, но коммутатор 14 пропускает в запоминающее устройство 15 только те сигналы датчиков, которые получены от потоков, установившихся после окончания очередного изменения объемного содержания входных потоков в выходном, то есть когда электропривод 6 не перемещает подвижный элемент 5, а температура выходного потока уже установилась. Коммутатор 14 управляется таймером 17, выход которого соединен с управляющим входом 14.4 (фиг.2) коммутатора 14, а запуск таймера происходит одновременно с остановкой электропривода 6. Это дает возможность более точно определить отклонение температуры выходного потока от заданного значения и вычислить значение величины объемного содержания, которое используется для уточнения положения подвижного элемента 5 модуля 4. Коммутатор 11 электрической цепи пуска и останова электропривода включает цепь пуска, если вычислительный блок 13 на своем выходе 13.2 формирует сигнал о необходимости изменения объемного содержания входных потоков в выходном (сигнал поступает на вход 11.2 коммутатора 11). Вычислительный блок 13 получает информацию от запоминающего устройства 15. Одновременно с появлением сигнала "Пуск" на входе 11.2 коммутатора 11 на вход 12.1 элемента сравнения сигналов 12 от вычислительного блока 13 поступает сигнал о величине расчетного значения объемного содержания входных потоков в выходном. Этот сигнал сравнивается с реальным значением объемного содержания, поступающим на вход 12.2 элемента сравнения 12 с выхода датчика объемного содержания 7. При неравенстве сравниваемых сигналов выходной сигнал элемента сравнения отсутствует, то есть сигнал "Стоп" и сигнал запуска таймера появятся только при достижении равенства расчетного и реального значений объемного содержания входных потоков в выходном. Блок сравнения температуры выходного потока 16 получает запомненное значение температуры Т и сравнивает его с заданным значением Т. При достижении равенства Т=Т блок 16 выдает сигнал остановки электропривода 6 на вход 11.1 ("Стоп") коммутатора 11, а также сигнал запуска таймера 17, который через заданный промежуток времени выдаст управляющий сигнал на вход 14.4 коммутатора 14 и разрешит очередное прохождение информации от датчиков температуры на вход запоминающего устройства 15 для дальнейшей обработки в вычислительном блоке 13 и блоке сравнения температуры 16.
Технический результат, создаваемый изобретением, состоит в уменьшении колебательности и длительности процесса достижения заданного значения температуры выходного потока и уменьшении энергозатрат на регулирование за счет получения более достоверной информации о температуре выходного потока и ее обработки с учетом реальных значений объемного содержания и температуры входных потоков.
Источники информации
1. Бородин И.Ф., Недилько Н.М. Автоматизация технологических процессов. - М.: Агропромиздат. 1986, с.194, рис.9.3.
2. Кокорин О.Я. Установки кондиционирования воздуха. Основы расчета и конструирования. - М.: Машиностроение, 1978, с.195.