Регулятор температуры

 

Изобретение может быть использовано для программного регулирования температуры с помощью термоэлектрической батареи. Цель изобретения повышение точности и надежности. Регулятор содержит последовательно соединенные датчик температуры 1 объекта 2, аналого-цифровой преобразо

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

23 А1 иа Я За> 1 4 дц 4 G 05 D 23/19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ/ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21 ) 4011163/24-24 (22) 14.01.86 (46) 15.06.88. Бюл. й- 22 (72) Л,А,Демидов (53) 621.555.6(088.8) (56) Коленко E.À. Термоохлаждающие приборы. Л., 1967, с. 166-169 °

Дидурик В.А. и др. Электронная промышленность. Вып. 11(128), )983, с. 48. (57) Изобретение может быть использовано для программного регулирования температуры с помощью термоэлектрической батареи. Цель изобретенияповышение точности и надежности. Регулятор содержит последовательно соединенные датчик температуры 1 объекта 2, аналого-цифровой преобразо1403О23 ватель 3, вьгчислительное устройство 4, преобразователь код-фаза 19, элемент И 18,. тиристорный стабилизатор тока (9, )0) термоэлектрическую батарею 7, два аналоговых ключа 5, 6. Импульсный сигнал с выхода элемента сравнения стабилизатора тока проходит на схему управления тиристорного выпрямителя 9, являющегося силовой частью стабилизатора тока, че. рез второй вход элемента И 18. В регуляторе тиристорный выпрямитель охватьгвается отрицательной обратной связью по току и через термобатарею протекает стабилизируемый ток, вели чину которого устанавливают оптимальной в зависимости от выбранного одного из двух режимов работы терИзобретение относится к системам автоматического управления, а именно к термоэлектрическому приборостроению и может быть применено для программного регулирования температуры.

Целью изобретения является повышение точности и надежности регулятора.

На чертеже представлена блоксхема регулятора температуры.

Регулятор температуры содержит

: последовательно соединенные датчик

1 температуры, расположенный на объ екте 2, температура которого регули,,руется, аналого-цифровой преоб разователь 3 и вычислительное устройство 4, один из выходов которого подключен к управляющим входам аналоговых ключей 5 и 6, выходы которых соединены с входами термоэлектрической батареи 7, находящейся в тепловом контакте с объектом 2 регулирования, источник 8 переменного напряжения, управляемый THpHcTopHblA выпрямитель 9, фильтр 10 низких частот, образцовый резистор 11, формирователь 12 импульсов, генератор 13 пилообразного напряжения, синхронизирующий вход которого соединен с третьим выходом формирователя )2 а выход — с первым входом аналогового элемента 14 сравнения, усилитель )5, задатчик )6 тока, нуль-орган 17, вымобатареи — максимальной холодопроизводительности или максимальной эффективности. Затем происходит обрыв отрицательной обратной связи по току и устанавливается отрицательная обратная связь по температуре, и устройство начинает работать как регулятор температуры. Обрыв отрицательной обратной связи по току в режиме стабилизации температуры исключает автоколебательный режим в системе, возникающий за счет наличия порога чувствительности по управляющим электродам тиристоров, что позволяет снизить максимальную ошибку регулирования и повысить надежность работы устройства„ 1 з.п. ф-лы,,1 ил.

2 ходом соединенньгй с одним из входов элемента И 18, и преобразователь 19 код — фаза.

Источник 8 переменного напряжения выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка 20 которого подключена к сетевому напряжению, при этом выводы первой вторичной обмотки 21 являются первым выходом источника 8, одни из контактов второй 22 и третьей 23 вторичных обмоток соединены с шиной нулевого потенциала, а другие контакты являются соответственно вторым и третьим выходами источника 8.

Формирователь 12 содержит диоды

24 и 25, аноды которых являются соот— ветственно первым и вторым входами формирователя ) 2, а катоды подключень1 через резисторы 26 и 27 к базам транзисторов 28 и 29 соответственно, эмиттеры которых соединены с шиной нулевого потенциала, а коллекторы соответственно через резисторы 30 и

3I подключены к шине положительного потенциала. Кроме того, формирователь )2 содержит два трехвходовых элемента И 32 и 33, один двухвходовой элемент И 34 и генератор 35.

Генератор пилообразного напряжения выполнен в виде интегратора на операционном усилителе 36, в отрицательную связь которого включен конденсатор 37, зашунтированный анало30

3 14030 говым ключом 38, причем инвертирующий вход операционного усилителя 36 через резистор 39 соединен с шиной положительного потенциала, а неинве р-тирующий вход — с шиной нулевого потенциала. При этом выход операционного усилителя 36 и управляющий вход аналогового ключа 38 являются соответственно выходом и входом генератора 13 пилообразного напряжения.

Аналоговый элемент 14 сравнения выполнен в виде резисторов 40, 41 и 42, причем первые выводы резисторов 40, 41 и 42 являются соответственно первым, вторым и третьим входами элемента 14 сравнения, а вторые выводы этих резисторов соединены между собой и являются выходами элемента 14 сравнения. 20

Усилитель 15 выполнен на операционном усилителе 43 с резистором 44 в цепи обратной связи, причем инвертирующий вход усилителя 43 подключен к одному из выводов резистора 45 25 и является входом усилителя 15, а неинвертирующий — к шине нулевого потенциала. Выход операционного усилителя 43 является выходом усилителя 15.

Задатчик 16 тока выполнен в виде потенциометра 46, выводы которого подключены к шине источника положительного потенциала и шине нулевого потенциала, а движок является выходом задатчика 16.

Нуль-орган 17 выполнен на опера- ° ционном усилителе 47, причем неинвертирующий вход операционного усилителя 47 соединен с шиной нулевого по- 40 тенциала, инвертирующий вход является входом нуль-органа 17, а выход. выходом нуль-органа 17.

Преобразователь 10 код — фаза содержит счетчик 48 с логической схемой 4 предварительной установки, информационные входы параллельной записи которого являются входами преобразователя 19 код — фаза, генератор 49, подключенный к счетному входу счетчика 48 и RS-триггер 50, вход которого соединен с выходом прямого переноса счетчика 48.

Регулятор работает следующим образом, Изменение температуры объекта регулирования преобразуется датчиком

1 в электрический сигнал и затем

23

4 аналого-цифровым преобразователем 3 в цифровой код, поступающий на гычислительное устройство 4. Вычислительное устройстов 4 по программе, записанной в его память, производит обработку поступившей информации и выдает на выходы цифровой код управляющего сигнала, соответствующий определенному закону регулировавания. При этом напряжение на выходе вычислительного устройства, соответствующее сигналу полярности рассогласования заданной в данный време.иной интервал температуры в текущей реальной температуры объекта

2, коммутирует аналоговые ключи 5 и

6 так, чтобы через термобатарею 7 протекал ток такого направления, при котором это рассогласование стремитсяя уме ныаит ь с я до нуля . Выходной код вычислительного у-стройства 4 поступает на входы предварительной установки счетчика 48. Одновременно сетевое напряжение трансформируется трансформатором источника 8 переменного напряжения. Напряжение с его вторичных обмоток 22 и 23 поступает на первый и второй входы формирователя 12. Однополупериодные выпрямители на диодах 24 и 25 пропускают через ограничительные резисторы 26 и 27 на базы транзисторов 28 и 29 сигналы, которые усиливаются и ограничиваются транзисторами 28 и 29. Сигналы с точек соединения резистора

30 и коллектора транзистора 28, а также резистора 31 и коллектора транзистора 29 поступают на входы элемента И 34. При этом на выходе элемента И 34 формируется сигнал, который является синхронизирующим для работы преобразователя 19 код — фаза и генератора 13 пилообразного напряжения с удвоенной частотой сетевого напряжения. Этот сигнал с третьего выхода формирователя, поступая на синхронизирующий вход преобразователя 19 код — фаза и далее íà R-вход

RS-триггера 50, устанавливает в начале каждого полупериода сетевого напряжения выход триггера 50 в нулевое состояние. Одновременно этот сигнал поступает на управляющий вход предварительной записи счетчика 48 и записывает выходной код вычислительного устройства, поступающий на входы преобразователя.19 код — фаза в

его счетчик 48, 1403023

В это время на счетный вход счетчика 48 поступает импульсный сигнал с генератора 49. При переполнении сигнал переноса с выхода счетчика 48 по5 ступает на Б-вход триггера 50 и перебрасывает сигнал на его выходе в единичное состояние, в котором он будет находиться до следующего полупериода сетевого напряжения. 10

Таким образом, на выходе формирователя 19 код — фаза 19 в течение каждого полупериода сетевого напряжения формируется единичный импульс, момент появления переднего фронта ко- 16 торого определяется значением кода на входе преобразователя 19 код — фаза.

11ри этом время 1;, прошедшее от нача, ла периода до момента появления единичного импульса и определяемое из Zp равенства и,= и „+tf где и, -разрядность счетчика 48, n „— значение ода на входе преобразователя 19 код1 .аза, Г -частота генератора 49, равно: 25 по-пх

f о

Из последнего выражения видно, что при значительном рассогласовании регулируемои температуры и заданной и соответствующем ему управляющем сигнале большой величины, т.е. большом значении кода на выходе вычислительного устройства 4, значение

Времени будет мало.

При этом на выходе преобразоватея 19 код — фаза формируются импульы значительной длительности, котоые, поступая на вход элемента И 18, разрешают на время, определяемое этой длительностью, прохождение сигнала на вход элемента И 18 с второго его входа, подключенного к выходу нуль-органа 17.

40

Сигнал с третьего выхода формирователя 12 поступает на управляющий вход аналогового ключа 38, входящего в состав генератора 13 пилооб раб атывающего напряжения, замыка- gp ет ключ 38, шунтируя конденсатор 37

На время, определяемое длительностью единичного импульса на его управляющем входе, при этом сигнал на выходе операционного усилителя 36 ста- rr новится равным нулю. При размыкании аналогового ключа 38 начинается заряд конденсатора 37 током, проходящим через резистор 39 от шины положительного потенциала, в результате линейно изменяется напряжение на выходе генератора 13 пилообразного напряжения. В момент окончания полупериода сетевого напряжения единичный импульс с третьего выхода формирователя 12 вновь замыкает ключ

38, что приводит к мгновенному разряду конденсатора 37 и падению до нуля выходного напряжения генера— тора 13 ° Далее процесс повторяется.

Таким образом формируется сигнал пилообразного напряжения, период которого синхронизирован с полупериодом сетевого напряжения. Он поступает на первый вход аналогового элемента 14 сравнения и определяет величину тока, протекающего через резистор 40.

Одновременно с выводов вторичной обмотки 21 трансформатора источника

8 переменного напряжения, являющих— .ся его первым и вторым выходами, на первый и второй входы тиристорного выпрямителя 9 поступает переменное . напряжение с частотой сетевого напряжения.

При поступлении сигнала запуска тиристоров на управляющие входы выпрямителя 9 на его выходе протекает пульсирующий ток, который сглаживается при помощи фильтра 10 нижних частот. Постоянный ток с выхода фильтра 10 посредством соответствующей коммутации аналоговых ключей 5 и 6, управляемых выходом вычислительного устройства 4, протекает через термобатарею 7 в таком направлении, при котором температура объекта 2 стремится к заданному значению. При этом на образцовом резисторе 11 падает напряжение, пропорциональное значению тока, протекающего в термобатарее, причем его полярность не зависит от направления тока через термобатарею, так как резистор 1! подключен к выходу выпрямителя 9 до аналоговых ключей 5 и 6. Это напряжение подается на инвертирующий вход операционного усилителя 43 с резистором 44 в цепи отрицательной обратной связи через резистор 45. Выходное напряжение операционного усилителя 43 подается на второй вход аналогового элемента 14 сравнения и определяет значение тока i, через резистор 41 элемента 14 сравнения, На; третий вход элемента 14 поступает на1403023 пряжение с движка потенциометра 46, входящего в состав задатчика 16 тока, которое определяет величину тока ig. через резистор 42, В точке соединения резисторов 40, 41 и 42 токи, проходящие через них, суммируются и в момент равенства нулю их алгебраическои суммы на выходе нуль-органа 17 формируется единичный 1р импульс, длительность которого ограничивается моментом окончания полупериода сетевого напряжения, при котором происходит скачкообразное умень- шение до нуля напряжения на выходе 15 генератора 13 пилообразного напряжения, что и возвращает вьгсод нуль-органа 17 в исходное нулевое состояние.

Так как выходной сигнал генератора 13 пилообразного напряжения имеет период, равный полупериоду сетевого напряжения, на выходе нуль-органа 17 такте формируется импульсная последовательность единичных импульсов с периодом, равным полупериоду сетевого 25 напряжения. Эта последовательность поступает на вход элемента И 18 и вследствие того, что длительность ее импульсов меньше длительности импульсов сигнала на втором входе эле- 3р мента И 18 с выхода преобразователя

19 код — фаза, проходит на выход элемента И 18 и далее на третий вход формирователя 12, соединенный с первыми входами элементов И 32 и

33. На вторые входы элементов И 32 и 33 поступает импульсный сигнал с генератора 35, а на третьи — сигналы с коллекторов транзисторов 28 и

29. В результате на первом и вто- 4О ром выходах формирователя 12 формируются импульсные сигналы. Генератор 35 служит для создания пачек импульсов в сигнале запуска тирис торного выпрямителя. 45

Таким образом, ток через термобатарею 7 определяется соотношением напряжений на выходах генератора 13 пилообразного напряжения, образцового резистора 11 и задатчика 16 тока.

При постоянном уровне сигнала на выходе эадатчика 16 тока через батарею

7 автоматически эа счет отрицательной обратной связи по току устаналивается- величина тока, соответствую55 щая заданному. При отклонении значения тока термобатареи 7 от заданного . например при изменении сетевого напряжения, изменится и напряжение на образцовом резисторе 11, -,.å. изменится соотношение напряжений на входе аналогового элемента 14 ср внения, что приведет к такому изменению момента формирования импульса запуска на выходе нуль-органа 17,.при котором ток выпрямителя 9 примет первоначальное значение.

Таким образом, при переходном процессе регулирования температуры, когда текущая температура объекта существенно отличается от заданной и длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код — фаза больше длительности импульсов с выхода нульоргана, регулятор работает в режиме стабилизатора тока термобатареи, причем величину стабилизируемого тока можно устанавливать изменением выходного напряжения задатчика 16 тока. Это позволяет устанавливать и поддерживать в соответствии с конкретными параметрами термобатареи оптимальные режимы работы термобатареи во время переходных процессов регулирования температуры.

По окончании переходного процесса регулирования темпертуры, когда ее текущее значение приближается к заданному, величина управляющего сигнала на выходе вычислительного устройства

4 начинает уменьшаться в соответствии с выбранным законом регулирования, что приводит к уменьшению длительности импульсов на выходе преобразователя 19 код — фаза. В момент, когда длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код — фаза становится меньшей длительности им» пульсов на выходе нуль-органа 17, на вход элемента И 18 начинает проходить сигнал с выхода преобразователя 19 код — фаза, так как при приходе на входы элемента И 18 двух синхронизированных импульсных последовательностей с выходов нуль-органа

17 и преобразователя 19 код — фаза с одинаковым периодом следования единичных импульсов, равным полупериоду сетевого напряжения, задние фронты которых совпадают, сигнал логической единицы будет присутствовать на обоих входах только с момента прихода переднего фронта импульса меньшей длительности до окончания полупериода сетевого напряжения. Приходящий с преобразователя 19 код— фаза через третий вход формирователя

140302

12 сигнал с меньшей (чем ранее) длительностью импульсов уменьшит величину тока выпрямителя 9, протекающего через термобатарею 8. Это приведет к уменьшению напряжения на образцовом резисторе 11 и соответствующему увеличению длительности импульсов на выходе нуль-органа 17 для восстановления первоначального значения 10 тока. Однако вследствие того, что длительное.ть импульсов на выходе нуль-органа 17 станет еще больше, чем длительность импульсов на выхо-. де преобразователя 19 код — фаза, 15 сигнал с выхода нуль-органа 17 не ттройдет на выход элемента И 18. В этом случае на выход элемента И 18 будет поступать сигнал с выхода преобразователя 19 код — фаза, т,е. 20

: оборвется обратная связь по току и

1 установится отрицательная обратная, связь по температурным параметрам объекта регулирования.

При этом величина тока регулирует- 25 ся управляющим сигналом с выхода вычислительного устройства 4, зависящим от параметров процесса установления реальной температуры объекта 2 заданного уровня. 30

Таким образом, при переходном процессе регулирования температуры устройство работает в режиме стабилизации тока. Начальное значение .тока устанавливается задатчиком тока в соответствии с конкретными параметрами используемой в качестве ттсполни тельного элемента термоэлектриттеской

,батареи определенного типа таким,< .чтобы термобатарея работала в одном

,из двух оптимальных режимов: макси мальной холодопроизводительности, что сокращает время переходного процесса и увеличивает диапазон регулируемых температур, или максимального холодильного коэффициента, при котором достигает максимума экономичность работы регулятора. При приближении реальной температуры к заданной ток через термобатарею становится зависимым от выходного сигнала вычислительчого устройства, который, в свою очередь, зависит от параметров процесса изменения температуры объекта, что

Позволяет реализовать в вычислительНом устройстве оптимальные алгоритмы регулирования и добиться высокого качества регулирования, 10

Какое бы малое значение не принимала величина сигнала с выхода вычислительного устройства, в регуляторе не возникает бросков тока через . термобатарею, что по сравнению с устройством-прототипом повышает надежность работы регулятора при одновременном повышении точности регулирования, особенно при HPçíà÷èòåëüных возмущающих воздействиях, за счет устранения температурных пульсаций рабочей поверхности термобатареи, обусловленных бросками тока, проходящими через нее.

Формула изобретения

Регулятор температуры, содержащий последовательно соединенные датчик температуры объекта, аналого-цифровой преобразователь, вычислительное устройство и цифроаналоговый преобразователь, а также источник переменного напряжения, к первому выходу которого подключен вход управляемого тиристорного выпрямителя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, к первому выводу которого подсоединены первый вход первого и второй вход второго аналоговых ключей, а к второму выводу, соединенному с шиной нулевого потенциала, через образцовый резистор подключен второи вход первого и первый вход второго аналоговых ключей, управляющие входы которых соединены с выходом знака кода вычислительного устройства, выходы первого и второго аналоговых ключей соединены соответственно с первым и вторым входами термоэлектрической батареи, находящейся в тепловом контакте с объектом регулирования температуры, формиро— ватель импульсов, первый и второй входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам источников переменного напряжения, первый .и второй выходы — соответственно к первому и второму уттравляющим входам управляемо го тирис торного выпрямителя, третий выход — к входу генератора пилообразного напряжения, причем выход последнего соединен с первым входом аналогового элемента сравнения, второй вход которого подключен через усилитель к выводу образцового резистора, третий вход — к задатчику тока, а выход — к входу нуль-органа, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности

1403023

Составитель Л. Птенцова

Редактор А. Лежнина. Техред А.Кравчук Корректор С. Черни

Заказ 2858/38 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 и надежности регулятора, в него введен элемент И, один из входов которо= го подключен к выходу нуль-органа, другой вход — к выходу цифроаналого5 ного преобразователя, выход — к третьему входу формирователя импульсов, а цифроаналоговый преобразователь выполнен в виде преобразователя кодфаза, синхронизирующий вход которого 10 соединен с третьим выходом формирователя импульсов.

2. Регулятор по и. 2, о т л и ч аю шийся тем, что преобразователь

1 код — фаза содержит счетчик, информационные входь. установки которого являются входами преобразователя код— фаза, генератор, подключенный к счетному входу счетчика, и FS-триггер, S-вход которого соединен с выходом переполнения счетчика, В-вход — с управляющим входом предварительной установки счетчика и является синхронизующим входом преобразователя код — фа за, а выход тригг е ра — выходом преобразователя кодфаза.