Лабораторная установка

Полезная модель относится к области учебного лабораторного оборудования и может быть использована в учебном процессе для проведения физических экспериментов, направленных на изучения методов и средств контроля и управления температурным режимом в замкнутом пространстве.
Известна установка для моделирования систем автоматического управления температурой, содержащая корпус с установленными в него терморегулятором, вентилятором и эмулятором печи, состоящим из корпуса, прозрачной крышки и печатной платы, на которой смонтированы нагреватель, измеритель температуры, клеммные разъемы для подключения к сети питания и терморегулятору, светодиод для индикации протекания тока через нагреватель, в которой в корпусе эмулятора печи выполнены две прорези шириной, равной расстоянию между крышкой и печатной платой и длиной, равной внутреннему размеру длины крышки, а в корпус лабораторной установки смонтирован элемент, направляющий воздушный поток от вентилятора в одну из прорезей корпуса эмулятора печи (Патент РФ №106019, МПК G09B 25/02, опубликовано 27.06.2011 г.).
Недостатками данного устройства является измерение температуры в одном месте рабочего объема эмулятора печи, что не позволяет определять трехмерное распределение температуры, отсутствие программного управления характеристиками воздушного потока проходящего через эмулятор печи, потери давления воздушного потока при прохождении через элемент, направляющий поток в одну из прорезей корпуса эмулятора печи, не возможность охлаждать воздух в эмуляторе печи, ниже температуры окружающей среды, что уменьшает функциональность устройства.
Известна лабораторная установка, содержащая деревянный короб, в котором установлен датчик температуры соединенный с программируемым логическим контроллером, цоколь с лампой накаливания и вентилятор, соединенный с трансформатором, связанным с сетью питания, через промежуточное реле, установленное на коробе, при этом к внешним контактам промежуточного реле подключена лампа, а к контактам управления подключен программируемым логический контроллер (Киреев Р.С., Шарипов М.И., Каяшева Г.А. Система автоматического регулирования температуры на базе VIJEO CITECT ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ// ТЕОРИЯ. ПРАКТИКА. ИННОВАЦИИ. 2016. №1. С. 61-74.).
Недостатками данного устройства является измерение температуры воздуха в одном месте короба, что не позволяет определять трехмерное распределение температуры, отсутствие программного управления характеристиками воздушного потока проходящего через короб, не возможность охлаждать воздух в коробе, ниже температуры окружающей среды, что уменьшает функциональность устройства.
В качестве прототипа полезной модели выбран лабораторный стенд «Промышленные датчики температуры», который содержит рабочий стол, столешница которого представляет собой основание, на котором смонтирована воздушная система, содержащая емкость с восьмью датчиками температуры, расположенными с одной стороны емкости, нагревательный элемент, установленный внутри емкости, и вентилятор, установленный снаружи емкости, с возможностью ее обдува, при этом стенд дополнительно содержит программируемый логический контроллер, связанный через измерительный блок с 6-тью датчиками температуры и дополнительно связанный через блок управления с вентилятором, нагревательным элементом и контактным датчиком температуры (Лабораторный стенд «Промышленные датчики температуры». [Электронный ресурс]: СУ ХТП. URL: http://cyxtp.ucoz.ru/_ld/0/8_-_.pdf (дата обращения: 27.09.2017)).
Недостатками данного устройства является измерение температуры воздуха только вверху воздушной емкости, что не позволяет определять трехмерное распределение температуры, неэффективное охлаждение воздуха в емкости, так как охлаждение основано на теплообмене с окружающей средой через стенки емкости, которую обдувает вентилятор, что приводит к увеличению времени на охлаждение воздуха в емкости, отсутствие возможности проветривания емкости и не возможность охлаждать воздух в емкости, ниже температуры окружающей среды, что уменьшает функциональность устройства.
Техническая задача, которую решает полезная модель - обеспечение возможности построения трехмерного распределения температуры в замкнутом пространстве, а также повышение уровней вариабельности управляющих факторов испытаний, за счет обеспечения возможности контроля и управления температурой с учетом управляемого проветривания воздушной емкости и расширения диапазона регулирования температуры.
Поставленная задача достигается тем, что лабораторная установка для изучения методов и средств контроля и управления температурным режимом в замкнутом пространстве содержит основание, на котором смонтирована емкость с датчиками температуры и нагревательный элемент, который расположен внутри емкости, вентилятор, программируемый логический контроллер, связанный с датчиками температуры, вентилятором и нагревательным элементом. Согласно полезной модели, емкость имеет два отверстия, соосно которым на емкости установлены вентиляторы, установка имеет два нагревательных элемента, являющихся элементами Пельтье.
Технический результат применения данного устройства заключается в увеличении глубины и ширины исследований методов и средств контроля и управления температурой в замкнутом пространстве.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена лабораторная установка для изучения методов и средств контроля и управления температурным режимом в замкнутом пространстве вид с боку; на фиг.2 изображена лабораторная установка для изучения методов и средств контроля и управления температурным режимом в замкнутом пространстве вид сверху.
Лабораторная установка для изучения методов и средств контроля и управления температурным режимом в замкнутом пространстве (фиг. 1 - фиг. 2) содержит основание 1, воздушную емкость 2, программируемый логический контроллер 3, элементы 4 Пельтье, датчики 5 температуры, отверстия 6, вентиляторы 7 и компьютер 8. Воздушная емкость 2 может иметь разную геометрическую форму, т.е. иметь форму куба, параллелепипеда, цилиндра и т.д. В емкости 2 выполнены, как минимум 2 отверстия 6, соосно которым на емкости 2 смонтированы вентиляторы 7. Количество отверстий 6 и место их расположения может быть различным, и зависит от вида воздушного потока, который используется в установке. Например, отверстия могут быть выполнены напротив друг друга или напротив друг друга, относительно центра емкости, со смещение по высоте и т.д. На данном примере емкость 2 имеет форму параллелепипеда, а отверстия 6 выполнены на одной высоте и на одной стороне емкости 2. Количество датчиков 5 температуры и место их монтажа на внутренней поверхности емкости 2, зависит от требований, предъявляемых к данным о температуре в емкости 2. Так датчики 5 температуры в данном случае установлены на 4-ех стенках воздушной емкости из 5-ти, по 4-ре датчика 5 на одну стенку. Емкость 2, программируемый логический контроллер 3 и как минимум два элемента 4 Пельтье установлены на основании 1. Элементы 4 Пельтье установлены на основании 1 такими образом, что сторона выделяющая (поглощающая) тепло обращена внутрь емкости 2, а сторона поглощающая (выделяющая) тепло обращена к основанию 2. Программируемый логический контроллер 3 соединен с датчиками 5 температуры, элементами 4 Пельтье, вентиляторами 7 и компьютером 8. В качестве контроллера 3 может быть использован ОВЕН ПЛК-100, в качестве элемента 4 Пельтье может быть использован модуль Пельтье термоэлектрический FROST-74, а в качестве датчика 5 температуры может использоваться термосопротивление ОВЕН DTC 125-50М.В2.60. Устройство работает следующим образом.
При запуске лабораторной установки элементы 4 Пельтье и вентиляторы 7 выключены. Параметры эксперимента вводят в компьютер 8, который управляет программируемый логическим контроллером 3. Программируемый логический контроллер 3 на основе полученных от компьютера 8 параметров эксперимента производит управление элементами 4 Пельтье и вентиляторами 7. При этом производится снятие показаний с датчиков 5 температуры, которые обрабатываются программируемым логическим контроллером 3 и передаются для последующего хранения в компьютер 8. Управление каждым элементом 4 Пельтье производится отдельно. За счет изменения напряжения постоянного тока подаваемого на элемент 4 Пельтье от программируемого логического контроллера 3 изменяется количество тепла, выделяемого одной стороной и поглощаемого другой стороной элемента 4. В случае изменения полярности постоянного тока подаваемого на элемент 4 Пельтье происходит обратный процесс, т.е. сторона выделяющая тепло начинает его поглощать, а сторона поглощающая тепло начинает его выделять. Управление каждым вентилятором 7 производится отдельно. За счет изменения напряжения постоянного тока подаваемого на вентилятор 7 от программируемого логического контроллера 3 изменяется скорость вращения его крыльчатки, вследствие чего меняются характеристики воздушного потока проходящего через вентилятор 7. В случае изменения полярности постоянного тока подаваемого на вентилятор 7 крыльчатка начинает вращаться в противоположном направлении, что приведет к смене направления воздушного потока, проходящего через вентилятор 7. При достижении максимальной температуры в емкости 2, установленной в параметрах эксперимента в зависимости от выбранного способа происходит управление температурой.
Управление температурой может осуществляться за счет применения следующих способов: управление элементами 4 Пельтье при неизменной работе вентиляторов 7; управление вентиляторами 7 при неизменной работе элементов 4 Пельтье; одновременное управление элементами 4 Пельтье и вентиляторами 7. При этом в случае управления элементами 4 Пельтье возможны следующие варианты работы элемента 4 Пельтье при достижении максимальной температуры воздуха в емкости 2: элемент 4 Пельтье выключается из работы; элемент 4 Пельтье изменяет количество тепла поглощаемого или выделяемого в емкость 2, без возможности изменения полярности постоянного тока подаваемого от программируемого логического контроллера 3; элемент 4 Пельтье изменяет количество тепла поглощаемого или выделяемого в емкость 2 с возможность изменения полярности постоянного тока подаваемого от программируемого логического контроллера 3.
Для обеспечения безопасности эксперимента при достижении критической температуры воздуха в емкости 2 происходит выключение всех элементов 4 Пельтье, включение вентиляторов на максимальную мощность проветривания и подача аварийного сигнала на компьютер 8. После опускания температуры воздуха в емкости 2 ниже критической температуры происходит выключение элементов 4 Пельтье и вентиляторов 7.
После проведения эксперимента происходит выключение элементов 4 Пельтье и вентиляторов 7. После чего эксперимент считается оконченным.