Устройство для регулирования температуры

 

Изобретение относится к регулированию температуры жидких и газообразных сред путем смешения горячей и хрдодной компонент. Оно может быть использовано для работы в промышленных объектах и устройствах различного назначения. Целью изобретения является повышение точности регулирования температуры путем устранения влияния колебаний температур смешиваемых компонент на регулируемую температуру. Устройство содержнт датчик 1 температуры и задатчик 2 температуры, подключенные к входам первого элемента сравнения 3, усилитель 4, широтноимпульсный модулятор 5, генератор 6 пилообразного напряжения, электропривод 7, смесительный вентиль 8, к входам которого подключены магистрали горячей и холодной компонент, а к выходу - магистраль смеси, датчик 9 тгемпературБ горячей компоненты и датчик 10 температуры холодной компоненты , подключенные к. входам второго элемента сравнения 11, выход которого соединен с управляющим входом генератора 6 пилообразного напряжения, датчик 12 положения вала электропривода, первый 13. и второй 14 дифференциаторы , блок умножения 15,. входы которого подключены к выходу датчика 12 и выходу первого дифференциатора 13, сумматор 16, входы которого соединены с выходом второго дифференциатора 14 и выходом блока умножения 15, а -выход - через масштабирующий блок 17 с вторым вычитающим входом первого элемента сравнения 3. 2 ил. & (Л с 00 05 а сг

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (Д1) 4 G 05 D 23/19

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

„13!

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4183168/24-24 (22) 02.02.87 (46) 23.08.88. Бюл. 11! 31 (71) Научно-исследовательский конструкторско-технологический институт тракторных и комбайновых двигателей (72) А.Б.Ландышев и А.Н.Маслов (53) 621.555.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 200923, кл. G 05.D 23/19, 1966.

Авторское свидетельство СССР

0- .798756, кл. С 05 D 23/19, 1979.

Патент США И - 4421269, кл. С 05 D 23/00, опублик. 1983, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ . ТЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение относится к регулированию температуры жидких и газообразных сред путем смешения горячей и холодной компонент. Оно может быть использовано для работы в промышленных объектах и устройствах различного назначения. Целью изобретения является повышение точности регулирования температуры путем устранения влияния колебаний температур смешиваемых компонент на регулируемую температуру.

„„SU„„1418669 А1

Устройство содержит датчик 1 температуры и эадатчик 2 температуры, подключенные к входам первого элемента сравнения 3, усилитель 4, широтноимпульсный модулятор 5, генератор 6 пилообразного напряжения, электропривод 7, смесительный вентиль 8, к входам которого подключены магистрали горячей и холодной компонент, а к выходу — магистраль смеси, датчик 9 температуры горячей компоненты и датчик 10 температуры холодной компоненты, подключенные к. входам второго элемента сравнения 11,.выход которого соединен с управляющим входом генератора 6 пилообразного напряжения, датчик 12 положения вала электропривода, первый 13 и второй 14 дифференциаторы, блок умножения 15,, входы которого подключеHb! к выходудатчика 12 и выходу первого дифференциатора 13, сумматор

16, входы которого соединены с выходом второго дифференциатора 14 и выходом блока умножения 15,.а выход— через масштабирующий блок 17 с вторым вычитающим входом первого элемента сравнения 3. 2 ил.

1418669

Изобретение относится к области регулирования температуры и может быть использовано в промышленных объектах и устройствах различного казна- 5 чения для регулирования температуры жидких или .газообразных сред путем смешивания горячей и холодной компойент.

Цель изобретения — повышение точ- 1р ! ности регулирования за счет компенса ции влияния колебаний температур сме шиваемых компонент на температуру смеси.

На фиг. 1 представлена блок-схема 15 . устройства; -на фиг.2 — механизм влияНия температур смешиваемых компонент На результирующую температуру жидКости.

Устройство содержит датчик 1 и эа-20 датчик 2 температуры смеси, подключенные к входам элемента 3 сравнения, усилитель 4, широтно-импульсный модулятор 5, генератор 6 пилообразного йапряжения, электропривод 7, смеси- 25 тельный вентиль 8, датчик 9 температуры горячей компоненты и датчик 10 температуры холодной компоненты, подключенные к входам второго элемента

11 сравнения, выход которого соединен с управляющим входом генератора

6 пилообразного напряжения, датчик 12 положения вала электропривода, перйый

f3 и второй 14 дифференциаторы, блок . l5 умножения, входы которого подключены к выходу датчика 12 и выходу ервого дифференциатора 13, сумматор

6, входы которого соединены с выходом второго дифференциатора 14 и зыходом блока 15 умножения, а выход через масштабирующий блок 17 — с

40 третьим (вычитающим) входом первого элемента 3 сравнения. K входам смесительного вентиля 8 подключены магистрали горячей 18 и холодной t9 компонент, а к выходу — магистраль 20

45 смеси компонент.

Устройство работает следующим образом.

Жидкость (или газ), температура которой должна соответствовать заданию, поступает в объект регулирования через выходное отверстие смесителького вентиля 8 после смешения подаваемьгх на его входы двух компонент, имеющих более высокую и более низкую 55 температуры по отношению к заданной.

Перемещением клапана смесительного вентиля 8 можно регулировать температуру смеси, вытекающей из выходного отверстия, в пределах температур горячей и холодной компонент за счет увеличения притока одной компоненты и одновременного уменьшения притока другой компоненты. Температура горячей и холодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8, измеряется датчиками 9 и 10 температуры. соответственно ° Второй элемент

11 сравнения выполняет вычитание сигналов датчиков 9 и 10 и вырабатывает сигнал, соответствующий разности тем. ператур горячей и холодной компонент, Этот сигнал поступает на управляющий вход генератора 6 пилообразного напряжения и задает крутизну нарастания напряжения пилообразной формы на его выходе. Период изменения пилообразного напряжения является величиной постоянной, поэтому амплитуда напряжения

4 пилообразной формы и разность температур смешиваемых компонент связаны прямо пропорциональной зависимостью.

Фактическая температура смеси в объекте регулирования измеряется датчиком 1 температуры, а требуемая температура определяется сигналом на выходе задатчика 2. . Сигнал ошибки с выхода элемента 3 сравнения усиливается усилителем 4 и подается,на вход широтно-импульсного модулятора 5, на другой вход которого поступает сигнал пилообразной формы с выхода генератора 6 пилообразного напряжения. Широтно-импульсный модулятор 5 преобразует непрерывный входной сигнал в последовательность импульсов фиксированной амплитуды и переменной длительности, в течение которых напряжение питающей сети прикладывается к электроприводу 7, Полярность формируемых импульсов соответствует полярности сигнала на выходе усилителя 4, а их длительность определяется интервалом времени между началом очередного периода изменения пилообразного напряжения и моментом равенства значений пилообразного напряжения и абсолютной величины сигнала на входе широтно-импульсного модулятора 5. Таким образом, длительность импульсов, в течение которых напряжение питающей сети подается на электропривод 7, пропорциональна абсолютной величине сигнала, на входе широтно-импульсного модулятора 5 и обратно пропорциональна

20 з 141866 амплитуде напряжения пилообразной формы.

Под действием широтно"импульсного управляющего сигнала электропривод 7

5 перемещает клапан смесительного вентиля 8 в таком направлении, чтобы уменьшить отклонение измеряемой температуры жидкости (или газа) в объекте регулирования от заданной. При этом направление перемещения клапана смесительного вентиля 8 определяется полярностью импульсов на выходе широтно-импульсного модулятора 5.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства в качестве стабилизатора температуры смеси, т.е. случай, когда сигнал задатчика 2 является постоянной величиной. .Допустим, что первоначально тем- пературы горячей и холодной компонент, поступающих на входы смеситель ного вентиля 8, не изменяются. Тогда выходные сигналы первого 13 и второго

14 дифференциаторов равны нулю, так 25 как их входные сигналы не изменяются во времени. Следовательно, нулевой сигнал присутствует и на выходе масштабирующего блока 17, а выходной сигнал элемента 3 сравнения соответству- з0 ет разности требуемой температуры смеси, задаваемой с помощью эадатчи. ка 2, и фактической температуры в объекте регулирования, измеряемой датчиком 1. Сигнал пилообразной формы

35 на выходе генератора 6 пилообразного напряжения имеет постоянный наклон на нарастающем участке и фиксированную амплитуду, которая пропорциональна разности температур горячей и хо- 40 лодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8. Таким образом, при постоянной температуре смешиваемых компонент предлагаемое устройство функционирует как обычная замкнутая система автоматического регулирования с широтно-импульсной модуляцией. При этом через некоторое время после включения устройства система регулирования приходит в установившееся состояние. Температура смеси

50 в объекте регулирования становится равной заданной, и выходной сигнал первого элемента 3 сравнения, пропорциональный отклонению действительной температуры смеси от заданной, равен нулю. Электропривод 7 в установившемся состоянии отключен от питающей сети, а клапан.- смесительного вентиля 8 находится в некотором положении ho, которое определяется заданной температурой смеси, температурами смешиваемых компонент и свойствами объекта регулирования.

Предположим теперь, что начиная с некоторого момента времени t температура горячей и температура холодной компонент, поступающих на входы смесительного вентиля 8, стали изменяться во времени. Температура смеси на выходе смесительного вентиля определяется выражением

g(t)=a (t) + ------- — - -h (1)

Ог (t) -6„(с)

Х 1 м где e„(t) — температура холодной компоненты;

6,(t) — температура горячей компоненты;

h — максимальный ход клапана;

h — положение клапана.

Вид характеристики смесительного вентиля, т.е. зависимости между положением клапана h и температурой жидкости на его выходе 8, показан на фиг.2. Зависимость Е соответствует некоторым значениям температур горячей д и холодной 8„ компонент. При этом некоторому положению клапана h о соответствует температура смеси со на выходе смесительного вентиля.

Если температура одной из смешиваемыхкомпонент, например, горячей или обеих компонент изменится под действием внешних факторов соответственно на величины и 8„ и и В „, характеристика смесительного вентиля занимает положение соответственно ГХ или

III (или любое другое положение в зависимости от 8, 6, и 8 и йд„) . При неизменном положении Клапана ho температура жидкости на выходе смесительного вентиля в этих двух случаях получает приращение й8, и йВ . Для компенсации этих приращений система регулирования должна обеспечивать перемещение клапана на величины 4 Ь и

6hz соответственно.

В общем случае приращение температуры жидкости на выходе смесительного вентиля при изменении температур смешиваемых компонент определяется выра-. жением йв()= йд„(с)+-- (d8„(t) — й9„(е)) . 2) м

Следует отметить, что наклон характеристики, т.е. коэффициент пере1418669

35 е — 8 (t)

h(t) h е (е) е (с) (7) дачи смесительного вентиля, не остается постоянным при изменении температур жидкостЕй на его входах. Вслед ствие изменения температур компонент ,, на выходах первого 13 и второго 14 дифференциаторов появляются сигналы, пропорциональные соответственно скорости изменения разности температур смешиваемык компонент и скорости из- р менения температуры холодной компоненты. На выходе масштабирующего блоka i7 присутствует сигнал, который определяется следующим выражением:

e(t)=к (т h(t) () ""»+

dBx(t)»

+ (3)

7 1. У

Где К»,„, — коэффициент передачи масштабирующего блока 17; 2О и Т вЂ” постоянные дифференцирования первoro 13 и второго 14 дифференциаторов соответственно.

Коэффициенты передачи всех датчи25 ков в выражении (3) условно приняты равными единице.

Сигнал .на выходе первого элемента

3 сравнения (в начальный момент времени) равен выходному сигналу масшта- о бирующего блока 17 с противоположным знаком (так как из-за наличия запаз,цывания в системе температура смеси в объекте регулирования некоторое время остается равной заданной).

Этот сигнал, усиленный усилителем

4, поступает на вход широтно-импульсного модулятора 5, на выходе которого сформироваН широтно-модулированный импульсный сигнал. При этом амплитуда 40 пилообразного напряжения, поступающеГо на второй вход широтно-импульсного модулятора, изменяется пропорционально изменению разности температур смешиваемых компонент, в результате чего изменяется и коэффициент передачи широтно-импульсного модулятора 5. Коэффициент передачи широтно-импульсного модулятора средних значений входного и выходного сигналов равен отно- 5О шению амплитуды импульсов Е на его выходе к амплитуде У сигнала пилообразной формы и для предлагаемого устройства обратно пропорционален разности температур смешиваемых компонент

Е

t)„(t) К (e (t)-e,(t)) где К вЂ” коэффициент пропорциональности.

При этом среднее значение сигнала на выходе широтно-импульсного модулятора 5 определяется выражением

U<..p (t) = Ку K „(t) e(t) г d(er(t)-В (t)$ (т h(t) +

K tB, (t) - e„(t)3 dt

+ т двх(е) (5)

dt где К вЂ” коэффициент усиления усилиу теля 4.

При появлении широтно-модулированных импульсов напряжения на входе электропривода 7 он приходит в движение и перемещает клапан смесительного вентиля 8.

Зависимость между углом поворота вала электродвигателя, а также линейным перемещением рабочего органа, связанного с валом, и средним значением сигнала управления на входе электропривода описывается интегральным законом. Поэтому перемещение клапана смесительного вентиля 8 осуществляется в соответствии с уравнением

h

48 м«см у d1О. (t)-0. ()1„

=h - — ----- — -- 3 (т h(t) с к 1 (e„(t)-6„(t)$ dt

d ex(t)

2 ge„(t)-Вх(t)3 <1а3 к к кдвк< куЕ т h(t) T е > et(t) — 0„()

T,h(t)

8,(.)-е,() " " (6) где h - положение,в котором находится клапан смесительного вентиля до начала движения;

Кдв — коэффициент передачи (постоянная интегрирования) электропривода 7, Для того, чтобы обеспечить нулевую чувствительность темпе атуры смеси на выходе из расходного отверстия смесительного вентиля 8, а следовательно, и температуры в объекте регулирования по отношению к изменениям температур смешиваемых компонент согласно выражению (1) необходимо, чтобы перемещение клапана смесительного вентиля осуществлялось по закону вида

1418669. где =const — температура жидкости (или газа), которая должна поддерживаться на выходе из расходно- го отверстия смесительного вентиля.

Поцстановкрй выражения (7) в уравнение (6) можно показать, что при выполнении условий

К меСШ Я дв

Т, =1; Т,=h (8) выражение (7) является решением интегрального уравнения (6), т.е, в устройстве обеспечивается перемещение клапана смесительного вентиля 8 в соответствии с выражением (7). Тем самым достигается полная инвариантность температуры смеси в объекте регулирования по отношению к изменениям температур горячей и холодной компонент.

Вместе с этим обеспечивается инвариантность общего коэффициента передачи системы регулирования по отношению к вариациям коэффициента передачи смесительного,вентиля 8, вызванным колебаниями температур горячей и холодной компонент. Стабилизация общего коэффициента передачи системы достигается за счет автоматического изменения коэффициента передачи широтно-импульсного модулятора 5 обратно пропорционально изменению коэффициента передачи смесительного вентиля 6. Это позволяет стабилизировать область устойчивости системы регулирования, увеличить общий коэффициент передачи системы, например, за счет повышения коэффициента усиления усилителя 4, однозначно задать и обеспечить наилучшее сочетание параметров настройки отдельных блоков устройства и, как следствие, существенно по. высить точность регулирования температуры.

Использование устройства, например, для стабилизации температуры охлажцающей жидкости при испытании двигателей внутреннего сгорания позволяет существенно повысить точность поддержания теплового состояния двигате5 лей. В результате сокращаются сроки их испытаний и доводки.

Формула изобретения

Устройство для регулирования температуры, содержащее электропривод, связанный валом с управляющим входом

15 смесительного вентиля, подключенного своими входами к магистралям горячей и холодной компонент, а выходом — к магистрали смеси, задатчик и датчик температуры смеси, подключенные к первому и второму входам первого элемента сравнения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности, оно дополнительно содержит последовательно соединенные датчик температуры горячей компоненты, второй элемент сравнения, первый дифференциатор, блок умножения, сумматор и масштабирующий блок, а также после" довательно. соединенные усилитель и широтно-импульсный модулятор, подключенные между выходом первого элемента сравнения и входом электропривода, датчик положения вала электропривода, связанный своим выходом с вторым вхо35 дом блока умножения, генератор пилообразного напряжения, связанный своим управляющим вхоцом с выходом второго элемента сравнения, а выходом - с вторым входом широтно-импульсного мо40 дулятора, второй дифференциатор, выход которого подключен к второму вхо. ду сумматора, и датчик температуры холодной компоненты, связанный своим, . выходом с входом и вторым входом со45 ответственно вторых дифференциатора и элемента сравнения, при этом выход масштабирующего блока подключен к дополнительному третьему входу первого элемента сравнения.

1418669 в;м, вг ех f fËÎ

fib h

Составитель В.Заводский

Редактор Н.Бобкова Техред Л.Олийнык Корректор М.Максимишинец

Заказ 4152/44

Тираж 866 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

))3035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Во+ ДВ2 О4АОу и-д д,-дь

Ще.2