Устройство для регулирования температуры в камере высокого давления

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

3 511 G 05 О 23/19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTQPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3292225/ l8-24 (22) 21. 05. 81 (46) 30. 03. 83. Бюл. М 12 (72) П.И. Кравец, Е.П. Мясников и В.А. Скаржепа (71) Киевский ордена Ленина политехнический институт им. 50-летия Великой Октябрьской социалистической революции и Институт сверхтвердых материалов AH Украинской ССР (53) 621.555.6(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 555392, кл. G 05 F 1/66, 1977

2. Глаговский Б.А. и др. Новые приборы для контроля и регулирования технологических процессов. ЛДНТП, 1975, с. 28, рис. 7 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕИПЕРАТУРЫ В КАМЕРЕ ВЫСОКОГО

ДАВЛЕНИЯ, содержащее включающий в сеÄÄSUÄÄ 1008712, д бя измерительные трансформаторы тока и напряжения регулятор электрической мощности, вход которого подключен к питающей сети, а выход соединен с камерой высокого давления, задатчик электрической мощности, соединенный с первым суммирующим входом сумматора, выход которого подключен к управляющему входу регулятора электрической мощности; о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры в камере высокого давления, оно содержит последовательно соединенные датчик температуры металлического тела камеры высокого давления и уси" литель с перестраиваемым коэффициентом усиления, выход. которого подключен к вычитающему входу сумматора, а управляющий вход - к выходу эадат" чика электрической мощности..

100871

2. Устройство по и. 1, о т л и " ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры при изменении КПД камеры высокого давления, в него введены последовательно соединенные делитель и квадратор, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора, а также две электрические цепи из последовательно сбединенных

2 выйрямителя и фильтра, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока, вход выпрямителя второй цепик выходу измерительного трансформатора напряжения регулятора электрической мощности, входы делителя подключены к выходам фильтров, а выход соединен с.:третьим суммирующим входом сумматора.

Изобретение относится к автоматическому регулированию нагрева объектов при отсутствии информации о регу" лируемой температуре путем регулирования электрической мощности, подводимой к объекту, и может быть использовано для регулирования температурных режимов установок для производства сверхтвердых материалов, изделий порошковой металлургии и др.

10.

Известны регуляторы нагрева в камере высокого давления (КВД), состоящие из регулятора электрической мощности, нагрузкой которого является КВД. Регулирование температуры в камере высокого давления осуществ" ляется за счет поддержания с требуемой точностью электрической мощнос" ти, поступающей в КВД в соответствии с экспериментально определенной 26 функциональной зависимостью 8 =

Р), где 8 - температура в камере;

Р - подводимая электрическая мощность 11).

Недостатком этих регуляторов нагрева является низкая точность регулирования температуры из-за влияния внешних и внутренних факторов на указанную функциональную зависимость.

Наиболее близким по технической Зо сущности к предлагаемому является регулятор температуры в КВД, содержащий последовательно соединенные задатчик, регулятор электрической мощности и КВД f2).

КВД,".помещенная в прессовую установку, представляет собой нелинейный объект с распределенными параметрами, время установления статического режима в котором составгде 3

RT ток, протекающий через камеру; электрическое сопротивление тела КВД совместно с подводящими проводами; электрическое сопротивление нагревателя внутри камеры. ляет 2-3 ч, что в большинстве случаев превосходит длительность технологических процессов. Температура в камере за это время может измениться на сотню и более граДусов и зависит от степени прогрева масс КВД и прессовой установки, температуры окружающей среды, температуры охлаждающей установки жидкости, технического состояния КВД, точности регулирования подводимой электрической мощности, длительности технологического процесса и др.

На точность поддержания температуры в КВД влияет также изменение

КПД КВД, связанное с изменением электрического сопротивления обрабатываемого материала и нагревателей в процессе технологических измерений, происходящих под действием высокого давления и высокой температу-, ры, Изменения КПД КВД связаны с тем, что из-за конструктивных особенностей камеры регулируют мощность., поступающую в КВД, а не выделяемую внутри камеры, вследствие чего регулируемая мощность распределяется в теле КВД и в нагреваемом материале внутри камеры согласно величинам их сопротивлений

1008712

4 где R — общее электрическое сопротивление КВД.

Изменение R в процессе обработки приводит к изменению соотношения 10 йт/R (значение R практически не изменяется в каждом конкретном цикле, а зависит от технического состояния камеры); В конечном итоге количество тепла, выделяемое внутри КВД изменя1 1S ется, что приводит к изменению температуры независимо от точности поддержания мощности. Это явление приводит к тому, что при значительных изменениях RH, например при синтезе ал20 мазов, отказываются от регулирования мощности и переключают регулятор с регулирования мощности на регулирование напряжения.

Цель изобретения - повышение точ25 ности устройства для регулирования температуры в КВД, Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования температуры в камере высокого давления, содержащее включающий в себя изао мерительные трансформаторы тока и напряжения регулятор электрической мощности, вход которого подключен к питающей сети, а выход соединен с

КВД, задатчик электрической мощности, соединенный с первым суммируюцим входом сумматора, выход которого подключен к управляющему входу регулято-. ра электрической мощности, дополнительно введены последовательно сое- 4О диненые датчик температуры металлического тела камеры высокого давления и усилитель с перестраеваемым коэффициентом усиления, выход котодюго подключен к вычитающему входу сум- 4 матора, а управляющий вход - к выходу задатчика электрической мощности, причем в устройство для регулирования температуры в КВД дополнительно введены последовательно соединенные делитель и квадратор., выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора, а также две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителя и фильтра, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока, вход. выпрямителя вто3

КПД камеры равен

Р L- — (.1 э (к„+к,) " "т/"н "н рой цепи - к выходу измерйтельного трансформатора напряжения регулятора электрической мощности, входы делителя подключечы к выходам фильтров, а выход соединен .с третьим суммирующим входом сумматора.

На фиг. 1 представлена фунциональная схема устройства для регулирования температуры в КВД; на фиг. 2 - . то же, регулятор электрической мощности на фиг. 3 - то же, устройство для регулирования температуры в ка-.мере высокого давления при изменениях электрической нагрузки; на фиг. 4" то же, упроценное устройство для регулирования температуры при измене" ниях величины электрической нагруз" ки; на фиг. 5 — принципиальная схема управляемого делителя усилителя с перестраиваемым коэффициентом усиления.

Устройство для регулирования тем" пературы в камере высокого давления (фиг. 1), которая состоит из матриц 1,. между которыми помещается обрабатываемый материал 2, и помещена в прессовую установку 3, содержит регулятор 4 электрической мощности, вход которого подключен к питающей сети 5, а выход соединен с камерой высокого давления, задатчик 6 электрической мощности, соединенный с первым суммируюцим входом сумматора 7, выход которого подключен к управляюцему входу 8 регулятора электрической мощности, последовательно соединенные датчик 9 температуры металлического тела КВД и усилитель 10 с пе" рестраиваемым коэффициентом усиления, состоящий из последовательно соединенных измерительного усилителя 11 и yn" равляемого делителя 12, выход кото" рого подключен к вычитающему входу сумматора 7, а управляющий входк выходу задатчика 6.

Регулятор электрической мощности (фиг. 2) содержит силовой трансформатор 13, первичная обмотка которого соединена через тиристорный исполнительный орган 14 с питающей сетью 5, а вторичная обмотка подключена к ка" мере высокого давления, Датчик игновенной мощности 15, подключенныи посредством измерительных трансформа- торов тока 16 и напряжения 17 к вторичной обмотке силового трансформа" тора, два параллельно включенных ин тегратора 18 и 19, вхдды которых соединены с выходом датчика мгновенной

Ф 10087

12 4 ционный усилитель 38. Коэффициент передачи этого делителя определяют, используя выражение

Р

34- упр

12. Р (Ж) где К(Э2)и R(yg) - значения резисторов

32и 34;

U on - максимальное значе0 ние сигнала управления при котором полевой транзистор

36 полностью запи" рается;

% U - сигнал управления, сформированный из сигнала задания U и напряжения смещения, которое подби6 рают таким образом, чтобы обеспечить требуемый диапазон изменения коэффициента передачи делителя и направления его изменения.

Устройство для регулирования температуры в камере высокого давления работает следующим образом.

При подаче электрической мощности внутри КВД выделяется определенное количество тепла, которое расходуется на нагревание материала, помещенного в камеру, а также на нагревание тела

КВД и прессовой установки, т.е. меж-. ду нагреваемым материалом и телом КВД имеется. практически идеальный тепловой контакт (электрическая энергия внутрь КВД передается за счет электрического контакта между телом КВД и нагреваемым материалом). Однако, так как величина площади теплового контакта незначительная, то основное количество тепла расходуется на нагревание материала внутри КВД. После установления динамического равновесия между количеством тепла, выделяемым внутри КВД, и используемым на поддержание установившейся температуры в камере и расходуемым на нагревание тела камеры и прессовой установки, температура в камере становится квазистационарной и дальнейшее медленное увеличение ее происходит за счет уменьшения количества тепла, отводимого в тело КВД, вслед. ствие увеличения его температуры.

Установлено, что температура тела

КВД, начиная с некоторого момента мощности, последовательно соединенные компаратор 20 и блок 21 выключения тиристорного исполнительного органа, силовые входы которого подключены параллельно исполнительному органу 14 и первичной обмотке силового трансформатора 13, счетный триггер 22, вход которого соединен с выходом компаратора, а выходы подключены к управляющим входам интеграторов, второй вход 8 компаратора 20 подключен к выходу сумматора 7.

Устройство для регулирования температуры в КВД (фиг. 3) дополнительно содержит последовательно соединенные делитель 23 и квадратор 24, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора 7, а такие две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителей 25 и 26 и фильтров 27 и 28, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока 16, вход выпрямителя второй цепи - к выходу измерительного транс-д форматора напряжения 17, входы дели теля 23 подключены к выходам фильтров, а выход соединен с третьим суммирующим входом сумматора 7.

Упрощенное устройство для регулирования температуры в КВД (фиг. 4) дополнительно содержит последовательно соединенные второй сумматор 29 и усилитель 30, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора 7, а также две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителей 25 и 26 и фильтров 27 и 28, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока 16, вход выпрямителя второй цепи — к выходу измерительного трансформатора напряжения 17, входы второго сумматора 29 подключены к выходам фильтров, Усилители ll и 30, сумматоры 7 .и 29, интеграторы 18 и 19 и компаратор 20 выполнены на базе операционных усилителей. Делительное устройство

23 и квадратор 24 могут быть выполЯ .нены на основе умножительно-делительных схем импульсного типа с сочетанием одноимпульсной и амплитудно. импульсной модуляции входных сигналов или на основе аналоговых множи° Я .- тельно-делительных схем повышеннои точности. Управляемый делитель 12 (фиг. 5) содержит резисторы 31-35, полевые транзиторы 36 и 37 опера7 1008712 8 времени, изменяется по тому же эа- Исходя из коэффициента передачи,КВД кону, что и внутри КВД, т.е. измене-,.;, по регулируемой температуре опредение температуры тела КВД, начиная с ляют требуемое значение дополнительэтого момента, и температуры внутри ной мощности, с учетом которой темKB3 - пропорциональны. Время наступ- у пература начала квазистационарного ления этого момента для разных то- режима будет соответствовать стачек тела КВД различно и зависит от ционарной координат точки внутри тела КВД. 99t Н

Пропорциональность изменений темпе- К:К9 ратур внутри КВД в квазистационном peIO 1 жиме позволяет формировать корректи- где К - коэффициент передачи, КВД;

:рующий сигнал, который практически Ко †. коэффициент передачи датчйустраняет квазистационарный режим, ка температуры тела КВД. превращая его в стационарный. Для Из полученных значений определяют ко-. этого измеряют температуру тела КВД И .эффициент настройки усилителя 10 датчиком 9. Сигнал датчика усиливают усилителем 10, коэффициент-передачи К 9.9 которого выбирают таким, чтобы пол- 1О К . K> ное изменение температуры тела КВД, В большинстве случаев, вследствие начиная с начала квазистационарного 20 зависимости теплофизических свойств режима внутри КВД, соответствовало обрабатываемого материала в КВД от такому изменению задающего сигнала регулируемой температуры, статичесмощности, которое бы изменяло тем- кая характеристика 8 = f(Ð) является пературу в КВД на величину ее изме- нелинейной, т.е. при изменениях ренения в квазистационарном режиме, 2З гулируемой температуры в широкИх и вычитают его из сигнала задатчика. пределах изменяется величина коэффиПри этом величина мощности должна иэ- циента передачи КВД, исходя из котоменяться так, чтобы температура внут- рого определяю коэффициент передачи ри КВД, начиная с момента возникнове- .усилителя 10. 3то приводит к тому, ния квазистационарного режима, оста- 3© что при различных регулируемых темвалась постоянной. Установленную ве- пературах корректирующая цепь не обес личину мощности непрерывно уменьшаю г печивает требуемой компенсации мощ" в соответствии с повышением темпера- ности, вызывая либо недокомпенсацию, туры тела КВД, при этом повышение либо перекомпенсацию, что вызывает температуры .а кKа м е р еe, связанное с из- появление статических и динамических менением теплосодержания тела КВД, погрешностей, Для устранения этого компенсируется уменьшением подводи- явления необходимо изменять коэффимой мощности так, что температура в циент передачи усилителя 10 в соот" камере остается постоянной. Для то- ветствии с изменением коэффициента го, чтобы в установившемся режиме „ передачи объекта. Эту задачу выпол" корректирующий сигнал не оказывал вли няет управляемый делитель 12, входяяния на статическую регулировочную щий в состав усилителя 10, который характеристику e = r (Р), задающий изменяет свой коэффициент передаЧи сигнал Ug предварительно увеличи- в соответствии с задающим сигналом вают на величину возможного измене- мощности. ния корректирующего сигнала ° В этом Высокая статическая и динамичесслуме управляющий сигнал регулятора кая точность регулирования темперамощности 0 представляет собой сумму . туры в КВД достигается при наличии

U9 = 0/+&0 - 0qg(t), которая в ста- регулятора мощности, обеспечивающем тическом режиме йереходит в равенство высокую статическую и динамическую

08 = 0, так как

SO точность. Регулятор электрической .AU — «0 о при t — oo. мощности (фиг. 2) имеет статическую

Для настройки цепи коррекции в точность не менее 0,14, жесткую репроцессе испытаний КВД определяют из- гулировочную характеристику и инменение температуры внутри КВД вЂ” 6 вариантен к возмущениям, поступаюи тела КВД - аТ в квазистационарном щим от сети и нагрузки.

И режиме и по полученным значениям йО Принцип работы регулятора электи Т определяют коэффициент передачи . рической мощности основан на фазомежду этими температурами Ки =68 /ьТ. вом методе управления силовыми тирис12

10 ваясь тремя членами разложения, получим требуемую функциональную зависимость мощности P от КПД р,„, = ф+ -„+(gf ) ), ()) при которой КПД не будет оказывать влияния на регулируемую температуру.

Из выражения (3) видно, что корректирующий сигнал формируется согласно сумме

u, = Вт — „(Вт ), (4) что и реализовано в устройстве, представленном на фиг. 3.

В данном регуляторе переменные сигналы тока и напряжения выпрямляются, усредняются на фильтрах и поступают на делительное устройство 23. Сигнал, полученный при делении сигнала тока на сигнал напряжения, дополнительно нормируется коэффициентом К, пропорциональным P величина которого при- т нимается постоянной, и подается на сумматор 7 и квадратор 24. Выходной сигнал квадратора также подается на сумматор 7.

Теоретический анализ и практические исследования показали, что выражение (4) с достаточной точностью можно заменить выражением

0к Р= (К+К)О (5) что позволяет в автоматическом регуляторе температуры (фиг. 5) исключить квадратор, изменив при этом в делительном устройстве коэффициент нормирования К на (К + К)). Установлено, что операцию деления — можно

3 заменить операциями суммированиявычитания при изменении Кн в пределах + 203 от номинальной величины при нормированных значениях ) и 0 (Э и И при номинальном сопротивлении нагрузки RH н,) принимаются за условную единицу 3 = u = 1), при этом

9 10087 торами с включением их в начале полупериода напряжения питающей сети и принудительным выключением в требуемый момент. В момент перехода на-, пряжения питающей сети 5 через нуль включается один из силовых тиристоров исполнительного органа 14 и пропускает электрическую мощность через трансформатор 13 в нагрузку, при этом она измеряется датчиком мгно- 10 венной мощности 15, сигнал с.которого поступает на один из интеграторов, работающих в данный момент (второй интегратор в это время обнулен и отключен), Мгновенные значения мощнос- И ти интегрируются и в момент равенства заданного значения и сигнала, накопленного в интеграторе, срабатывает компаратор 20 и выдает импульс на блок 21 выключения исполнительного 26 органа, который и запирает включенный силовой тиристор. Одновременно им,пульс кэмпаратора 20 опрокидывает счетный триггер 22, который отключа- ет и обнуляет ранее работавший инте- 3% гратор и подключает второй интегратор к выходу датчика мгновенной мощности. В следующий полупериод напряжения питающей сети работа регулятора мощности повторяется, ЗЕ

Для устранения влияния изменения

R11 и связанного с ним КПД на температуру в камере высокого давления в регуляторе корректируют величину мощности по сигналам, пропорциональным току и напряжению так, чтобы изменения Рн КПД не влияли на регулируемую температуру.

Если влияние КПД на температуру щ в камере представить как влияние ка -кого-то фиктивного звена, включенного между регулятором мощности и камерой высокого давления, то для ком;пенсации действия этого звена в регу-<> лятор необходимо ввести звено с обратной передаточной характеристикой.

Из выражения для КПД (1) обратная характеристика равна

1 к((* (-й р - s-и з)и () где, 3 и u " "среднее значение тока и напряжения во вторичной цепи силового . трансформатора. Раскладывая это выражение в степенной ряд и ограничи— 1+э -u

? и (6)

Данные приближения реализуются в упрощенном устройстве регулирования температуры (фиг. 4), в котором средние значения сигналов тока и напряжения при R н но,щ приравниваются, принимаются за условную единицу и складываются на сумматоре в соответствии с формулой (6). Выходной сигнал сумматора нормируют в соответствии с коэффициентом (К + К ) на усилителе 30 и подают на сумматор 7.

11 1003712 f2

Испытания автоматического регуля- ратуры, связанные с возмущениями- в тора температуры в камере высокого питающей сети. давления, проведенные на реальном оборудовании, показали, что он обеспе- Использование предлагаемого авточивает регулирование температуры с 3 матического регулятора температуры точностью не менее 0,53 при точности в камере высокого давления позволит прототипа + 53,, при этом практически получить высокую точность и качество полностью устраняется .квазистационар- регулирования, что окажет существенный режим. Кроме того, полностью уст- ное влияние на количествб и качество ранены динамические пульсации темпе- 1в производимой продукции.

1008712 упр

Составитель Л. Птенцова

Техред С.Иигунова Корректор Ю. Макаренко

Редактор А. Курах

Тираж 872 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Закаэ 2336/58

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4