УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЕЧЬЮ СОПРОТИВЛЕНИЯ
DEVICE FOR HANDLING A HIGH-TEMPERATURE RESISTANT OVEN

Предлагаемое техническое решение относится к средствам управления высокотемпературными печами сопротивления и может быть использовано для управления высокотемпературными печами сопротивления, применяемыми для термической обработки тугоплавких металлов, карбидов, композиционных материалов, процессов спекания, рафинирования и др., а также при исследовании материалов.
Известно устройство (Альтгаузен А.П., Бершицкий И.М., Бершицкий М.Д. и др. Электрооборудование и автоматика электротермических установок: Справочник. / Под ред. А.П. Альтгаузена. - М.: Энергия, 1978. - С. 104), содержащее камеру печи с теплоизоляцией, нагревательные элементы, подключенные к регулируемому источнику питания, блок задания мощности, датчик мощности, блок сравнения, регулирующий блок, при этом поддержание заданной температуры достигается стабилизацией мощности, подаваемой источником питания на нагревательные элементы.
Основной недостаток данного устройства заключается в том, что регулирование температуры ведется в разомкнутом режиме, без обратной связи по температуре, что делает невозможной реакцию устройства на изменение условий теплообмена в печи и изменение потерь тепла и приводит к снижению точности регулирования температурного режима.
Наиболее близким к предлагаемому авторами решению является устройство (В.П. Рубцов, А.В. Щербаков. Системы автоматического управления электрическими печами сопротивления. Часть 2: учебное пособие. - М.: Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2015. - С. 39), содержащее камеру печи с теплоизоляцией, блок задания температуры, датчик температуры (как правило, термоэлектрический преобразователь), блок сравнения, соединенный первым входом с выходом блока задания температуры, а вторым входом - с выходом датчика температуры, регулирующий блок, соединенный входом с выходом блока сравнения, источник питания со входом задания напряжения, соединенным с выходом регулирующего блока, нагревательные элементы, подключенные к регулируемому источнику питания.
Основным недостатком данного устройства является крайне короткий срок службы термоэлектрических преобразователей (термопар) при высоких (свыше 1800°C) температурах.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении надежности и увеличении срока бесперебойной работы печи при сохранении высокой точности регулирования температурного режима.
Технический эффект, используемый при решении поставленной задачи, состоит в вычислении действительного значения температуры по косвенному параметру электрического сопротивления нагревателя с поправкой на износ нагревателя и достигается тем, что в известное устройство для управления высокотемпературной печью сопротивления, содержащее нагревательный элемент, подключенный к выходу источника питания со входом задания напряжения источника питания, подключенным к выходу регулирующего блока, вход которого подключен к выходу блока сравнения, а вход блока сравнения соединен с выходом блока задания температуры, согласно изобретению введены датчики тока и активной мощности нагревательного элемента, последовательно включенные в контур нагревательного элемента, блок вычисления сопротивления нагревательного элемента, блок вычисления температуры нагревательного элемента, блок введения поправки на износ нагревательного элемента, причем первый и второй входы блока вычисления сопротивления нагревательного элемента соединены с выходами датчика тока нагревательного элемента и датчика активной мощности нагревательного элемента, выход блока вычисления сопротивления нагревательного элемента соединен с блоком вычисления температуры нагревательного элемента, выход которого подключен к блоку сравнения и к блоку вычисления поправки на износ, выход которого подсоединен ко второму входу блока вычисления температуры нагревательного элемента.
На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит камеру высокотемпературной печи сопротивления 1. Внутри камеры печи размещаются нагреваемые изделия и установлен нагревательный элемент 2, подключенный к источнику питания со входом задания напряжения 3. Нагревательный элемент оснащается датчиком тока 4 и датчиком активной мощности, потребляемой нагревательным элементом 5. Блок вычисления сопротивления 6 подключен входами к выходам датчика тока 4 и датчика активной мощности 5. Блок вычисления температуры 7 соединен первым входом с выходом блока вычисления сопротивления 6, а вторым входом - с выходом блока введения поправки на износ нагревателя 8, соединенного входом с выходом блока вычисления температуры 7. Блок сравнения 9 соединен первым входом с выходом блока задания температуры 10, а вторым входом - с выходом блока вычисления температуры 7. Регулирующий блок 11 соединен входом с выходом блока сравнения 9, вход задания напряжения источника питания 3 соединен с выходом регулирующего блока 11.
Устройство работает следующим образом.
а
Блок вычисления сопротивления 6 определяет значение активного сопротивления нагревательного элемента 2 (R) как отношение активной мощности (Р), потребляемой нагревательным элементом, измеренной датчиком активной мощности 5, и квадрата тока нагревательного элемента (I), измеренного датчиком тока 4.
Варианты исполнения датчика активной мощности 5 могут быть различными, так активная мощность может определяться по результатам измерений действующих значений напряжения и тока и угла фазового сдвига. Учитывая несинусоидальную форму тока, имеющую место при работе тиристорного регулятора напряжения, наиболее точно активная мощность определяется путем интегрирования по времени произведения мгновенных значений напряжения и тока в аналоговой или цифровой форме.
Блок вычисления температуры 7 определяет температуру нагревательного элемента 2 по известной зависимости ρ(t) для используемого материала нагревателя, где ρ - удельное электрическое сопротивление материала нагревателя, t - температура. При этом удельное электрическое сопротивление определяется в соответствии с выражением
0
изн
где R - активное сопротивление нагревателя, рассчитанное блоком вычисления сопротивления 6, L - развернутая длина нагревателя, F - площадь поперечного сечения нагревателя в начале его эксплуатации, F - поправка на износ нагревателя, вводимая блоком введения поправки на износ 8.
i
i
2
Износ нагревателя (уменьшение сечения в процессе эксплуатации) в высокотемпературных печах связан прежде всего с испарением материала нагревателя. Блок введения поправки на износ нагревателя 8 определяет поправку путем численного интегрирования по времени мгновенного значения массовой скорости испарения материала V, кг/(м⋅с), которое определяется по температуре, рассчитанной блоком вычисления температуры 7, в соответствии с известными зависимостями V(t), приведенными для различных материалов в литературе (Мармер Э.Н. Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - Глава 3) или полученными экспериментально.
Для каждого момента времени поправка на износ определяется по рекуррентной формуле
где  - поправка на износ для предыдущего момента времени (на Δτ раньше), ΔF - изменение поперечного сечения за время Δτ, Δτ - шаг интегрирования по времени.
Для нагревателя круглого сечения (проволока, стержень) ΔF определяется как
где γ - плотность материала нагревателя, F*=F+ΔF - значение площади сечения нагревателя в предыдущий момент времени.
Для нагревателя в форме пластины шириной В
Блок сравнения 9 определяет рассогласование (разницу) между заданным значением температуры, вырабатываемым блоком задания температуры 10, и ее текущим значением, рассчитанным блоком вычисления температуры 7. Регулирующий блок 11 вырабатывает, как функцию рассогласования (в соответствии с принятым законом регулирования, например, пропорционально-интегрально-дифференциальным), сигнал управления, пропорциональный величине напряжения, которую необходимо подать на нагревательный элемент 2, и подает этот сигнал на вход задания напряжения источника питания 3.
Таким образом, устройство осуществляет регулирование температуры по косвенному параметру электрического сопротивления нагревателя с поправкой на износ нагревателя, без использования датчика температуры, что значительно повышает надежность и увеличивает время бесперебойной работы печи при высоких (свыше 1800°C) температурах, при этом точность регулирования существенно выше, чем в разомкнутых по температуре устройствах с регулированием мощности, и приближается к достигаемой при использовании датчиков температуры.
Камера высокотемпературной печи 1, как правило, вакуумирована или заполнена инертным газом или водородом. Нагревательные элементы 2 таких печей изготавливаются из тугоплавких металлов (вольфрам и др.), углеродных материалов (графит, углерод-углеродные композиционные материалы), тугоплавких карбидов. Теплоизоляция выполняется из углеродных материалов, тугоплавких карбидов или представляет собой пакет экранов из тугоплавких металлов. В качестве источника питания 3 может использоваться, например, тиристорный регулятор напряжения. Блок вычисления сопротивления 6, блок вычисления температуры 7, блок введения поправки на износ 8, блок сравнения 9, регулирующий блок 11 могут быть реализованы, например, на базе цифровой ЭВМ или программируемого промышленного контроллера.