Устройство для регулирования температуры проточной среды

 

Изобретение относится к средствам регулирования температуры в различных технологических процессах подачей регулируемого напряжения на исполнительный элемент. Цель изобретения - экономичность устройства. Сущность изобретения: устройство содержит датчик температуры 1 втекающей среды, датчик температуры 2 вытекающей среды, измерительные преобразователи 3 и 4, задатчик температуры 5, вычитающий блок 6, формирователь управляющего сигнала 7, сумматор 8, блок вычисления 9 напряжения на нагревателе, исполнительный элемент 10 с нагревателями на выходе. 1 ил.

Изобретение относится к средствам регулирования температуры в различных технологических процессах подачей регулируемого напряжения на исполнительный элемент.

Известны устройства для регулирования температуры 11, 2, 31, у которых выход второго датчика подключен к входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом элемента сравнения.

Недостатком этих устройств является то, что они не позволяют обеспечить требуемую точность регулирования проточной среды, так как на параметры объекта регулирования существенно влияет изменение скорости потока.

Известно устройство для регулирования температуры 141, в котором на технологический процесс регулирования основное влияние оказывает проточная среда.

Недостатком этого устройства является то, что управление этим технологическим процессом требует подачу извне проточной среды нужной температуры, что не всегда осуществимо.

Известно устройство для регулирования температуры проточной среды 151, которое используется для поддержания переменного температурного режима по заданной программе в системах с проточной рабочей средой. Устройство содержит первый и второй датчики температуры, измерительные преобразователи, включающие в себя измерительный мост, усилитель и амплитудный детектор, программный задатчик, включающий в себя генератор импульсов, делитель частоты и коммутатор, а также формирователь программы, решающий операционный усилитель, формирователь управляющего сигнала и исполнительный элементы. Устройство позволяет автоматически регулировать температуру протекающей воды в рабочем объеме. Устройство определяет значение температуры, которую требуется обеспечить среде для подачи ее на вход рабочего объема по значению температуры среды на выходе рабочего объема и по значению температуры, заданной задатчиком.

Недостатком этого устройства является то, что для осуществления технологического процесса регулирования требуется дополнительная конструкция второго резервуара (объема), в котором осуществляется дополнительная подготовка рабочей среды, его обогрев или охлаждение.

Цель изобретения экономия энергетических ресурсов, увеличение надежности и продолжительности эксплуатации, уменьшение габаритов, веса и стоимости оборудования при сохранении точности и быстродействия регулирования. Экономический эффект ожидается за счет снижения затрат на топливо и на оборудование. Повышение быстродействия регулятора повышает динамическую точность и обеспечивает более точное поддержание режима, нарушение которого приводит к нежелательному эффекту, нарушению технологического процесса.

Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем программный задатчик температуры, первый и второй датчики температуры, установленные соответственно в потоке втекающей и вытекающей из объема среды, снабженные измерительными преобразователями на выходе, вычитающий блок, к входам которого подключены выходы программного задатчика температуры и измерительного преобразователя, установленного на выходе второго датчика температуры, последовательно соединенные формирователь управляющего сигнала и исполнительный элемент с нагревателем на выходе, нагреватель установлен в объеме протекающей среды, а формирователь управляющего сигнала выполнен в виде последовательно соединенных сумматора и блока вычисления напряжения на нагревателе, выход которого является выходом формирователя, а выходы сумматора соединены с выходами измерительного преобразователя, установленного на выходе первого датчика температуры, и вычитающего блока, являются входами формирователя.

Внесение в рабочий объем элемента, преобразующего электрическую энергию в тепловую, позволит уменьшить потерю энергии, неизбежно затрачиваемую в связи с теплоотдачей конструкции дополнительного объема, используемого для подготовки рабочей среды. Уменьшаются габариты, вес и стоимость оборудования, так как отпадает необходимость в дополнительном объеме. В то же время введенный в формирователь блок вычисления определяет требуемую величину напряжения, воздействующего на нагреватель. Повышение быстродействия регулирующего органа, которым является нагревательный элемент, прямо воздействующий на рабочую среду, повышает динамическую точность регулирования.

На чертеже изображена структурная схема предлагаемого устройства.

На входе в рабочий объем в проточной среде установлен датчик температуры 1, выход которого поступает на вход измерительного преобразователя 3. На выходе из рабочего объема в рабочей среде установлен датчик температуры 2, выход которого поступает на вход измерительного преобразователя 4. В рабочем объеме с входа на выход протекает рабочая среда с заданным коэффициентом потока. У входа в рабочем объеме расположен нагревательный элемент, на вход которого подается напряжение заданной величины исполнительным элементом 10. Выходные сигналы задатчика температуры 5 и измерительного преобразователя 4 поступают на входы вычитающего блока 6, соответственно на положительный и отрицательный. Формирователь управляющего сигнала 7 включает в себя сумматор 8 и блок вычисления 9. Выход вычитающего блока 6 подключен на первый вход сумматора 8, а выход измерительного преобразователя 3 подключен на второй вход сумматора 8. Выход сумматора 8 подключен на вход блока вычисления 9, выход которого подключен на вход исполнительного элемента 10 с нагревателями на выходе.

Подключение термочувствительных элементов к измерительным преобразователям (1 к 3), (2 к 4) позволяют получить электрические сигналы, величины которых соответствуют температурам на входе в рабочий объем и на выходе.

Программный задатчик температуры 5 формирует электрический сигнал, величина которого соответствует значению заданной температуры.

Вычитающий блок 6 от сигнала, поступающего на положительный вход с выхода задатчика 5, отнимает сигнал, поступающий на отрицательный вход с выхода измерительного преобразователя 6. Сигнал на выходе вычитателя 6 определяется по формуле, учитывающей коэффициент протока U₆ U₅ (1 α) U₄ Т_зад (1 α)Т_вых; где U₅ сигнал с выхода программного задатчика 5; U₄ сигнал с выхода измерительного преобразователя температуры на выходе рабочего объема.

Регулируемый технологический процесс можно описать формулой CUТ_вн + С(U α U)Т_вых + С α UТ_вх СUТ_зад, где С теплоемкость среды; Т_зад заданная температура; Т_вх температура среды, входящей в рабочий объем; Т_вых температура среды, выходящая из рабочего объема; α коэффициент протока.

При этом исходили из того, что, если установить такой режим потока, при котором в единицу времени в рабочем объеме замещается единичный объем воды, при этом температура рабочей среды на входе к рабочему объему не регулируется, то требуется дополнительный внутренний источник тепла Твн, который и был приведен в формуле. Согласно закону сохранения энергии вся теплота, выделенная внутренним источником в рабочем объеме и внесенная извне, расходуется на изменение внутренней энергии вещества, содержащегося в этом объеме.

Количество теплоты, выделяемое в рабочем объеме электрическим нагревателем, определяется законом Джоуля-Ленца Q I²Rt, где Q количество теплоты;
I ток нагрузки;
R сопротивление нагрузки;
t время прохождения тока.

Решая это уравнение с уравнением передачи тепла внутренним источником, получим CUТ_внt I²Rt. Это выражение позволит найти напряжение, которое требуется подать на нагревательные элементы
U_нагр= I·R R· , (1) где U объем;
t время;
Т_вн температура внутреннего источника, величину которой определяют на выходе сумматора 8 по формуле, полученной из закона сохранения энергии
Т_вн Т_зад α Т_вх (1 α)Т_вых, т.е. U₈ U₆ -α U₃.

Вычислительный блок 9 формирователя 7 определяет значение напряжения, которое требуется подать на нагрузку по входному требуемому значению температуры внутреннего источника тепла и по заданным (или определенным в процессе эксплуатации) значениям теплоемкости среды С, рабочему объему и сопротивлению нагрузки, т.е. вычислительный блок должен найти корень квадратный из произведения этих величин (см. формулу 1).

Исполнительный механизм, получив сигнал желаемого напряжения, усиливает этот сигнал по мощности и подает на нагревательный элемент.

В статическом состоянии температура на выходе рабочего объема в проточной среде равна заданному значению, температу-ра внутреннего нагревателя равна Т_вн α (Т_вых Т_вх), напряжение, поступающее на нагревательные элементы, постоянно. При изменении температуры проточной среды, поступающей на вход рабочего объема, или при изменении коэффициента протока напряжение на нагревателе, изменяется и формируется по выше приведенным формулам.

Таким образом, предлагаемое устройство производит автоматическое измерение температуры рабочей среды на входе и выходе рабочего объема, определяет требуемую температуру внутреннего источника и вычисляет напряжение, которое должно поступить на нагревательный элемент, а исполнительный элемент формирует импульсы управления тиристорами, подключающими нагрузку к источнику питания.

Воздействие нагревательного элемента на проточную среду в рабочем объеме повышает быстродействие системы регулирования в динамических режимах, уменьшая ошибку регулирования. Использование рабочего объема без второго дополнительного, используемого для предварительного нагрева рабочей среды, упрощает конструкцию системы регулирования, уменьшается ее вес, габариты, себестоимость. Использование внутреннего источника тепла уменьшает потери тепла, идущие на обогрев внешней среды в дополнительном объеме, что экономит энергозатраты. Все это приводит к экономическому эффекту.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРОТОЧНОЙ СРЕДЫ, содержащее программный задатчик температуры, первый и второй датчики температуры, установленные соответственно в потоке втекающей и вытекающей из объема среды, снабженные измерительными преобразователями на выходе, вычитающий блок, к входам которого подключены выходы программного задатчика температуры и измерительного преобразователя, установленного на выходе второго датчика температуры, последовательно соединенные формирователь управляющего сигнала и исполнительный элемент с нагревателем на выходе, отличающееся тем, что нагреватель установлен в объеме протекающей среды, а формирователь управляющего сигнала выполнен в виде последовательно соединенных сумматора и блока вычисления напряжнения на нагревателе, выход которого является выходом формирователя, а входы сумматора, соединенные с выходами измерительного преобразователя, установленного на выходе первого датчика температуры, и вычитающего блока являются выходами формирователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1