Устройство для регулирования и стабилизации температуры

 

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению, а именно к исследовательской аппаратуре, и может быть использовано в областях науки и техники, где необходимы нагрев или охлаждение образцов до нужной температуры и поддержание этой температуры в течение требуемого времени. Технический результат: исключение регулирования при минимальном для данных условий времени стабилизации и высокой точности. Устройство содержит теплоизолирующую оболочку, в которой размещают объект теплового регулирования, измерительный преобразователь температуры объекта регулирования, элемент нелинейной коррекции, дифференциатор первого порядка, дифференциатор второго порядка, элемент сравнения температуры объекта теплового регулирования, блок согласования с ЭВМ, элемент сравнения температуры теплоизолирующей оболочки, измерительный преобразователь температуры теплоизолирующей оболочки, усилитель сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки, усилитель сигнала ошибки, элемент сравнения скорости изменения температуры, элемент сравнения ускорения изменения температуры, два сумматора. 1 ил.

Изобретение относится к теплофизическому приборостроению, в том числе к исследовательской аппаратуре, и может быть использовано в областях науки и техники, где необходимы нагрев или охлаждение образцов до нужной температуры и поддержание этой температуры в течение требуемого времени.

Известно устройство для программного регулирования температуры (см. А.с. 1786473, G 05 D 23/19, 1993 г.), содержащее блок памяти скорости изменения температуры и выдержки времени, элемент И, счетчик адреса, последовательно соединенные исполнительный элемент и нагреватель, последовательно соединенные блок памяти температуры, цифровой компаратор и коммутатор, последовательно соединенные пусковой элемент, генератор импульсов, программируемый делитель частоты и формирователь сигнала ошибки по температуре, содержащий последовательно соединенные реверсивный счетчик, тактовый вход которого является входом формирователя, цифровой преобразователь и вычитающий узел, к второму входу которого подключен выход датчика температуры, одновибратор, включенный между входами коммутатора и входом счетчика адреса, элемент НЕ, включенный между выходом цифрового коммутатора и вторым информационным входом коммутатора, последовательно соединенные исполнительный элемент охладителя и охладитель, сумматор, соединенный выходом с входами исполнительных элементов нагревателя и охладителя, вычитающий счетчик, генератор стандартных временных интервалов, подключенный выходом к входу элемента И, а выходом к тактовому генератору вычитающего счетчика, а также формирователь сигнала ошибки по скорости изменения температуры, содержащий дифференциатор, индикатор скорости, цифровой преобразователь и вычитающий узел, первый вход которого соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, а второй вход - с выходом дифференциатора и входом индикатора скорости.

Причем выходы вычитающих узлов формирователя сигнала ошибки по температуре и скорости изменения температуры соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора, выход одновибратора соединен с входом начальной установки вычитающего счетчика, выход которого соединен с третьим информационным входом коммутатора, а группа выходов - с группой информационных входов программируемого делителя частоты и информационных входов цифроаналогового преобразователя формирователя сигнала ошибки по скорости изменения температуры, вход обнуления которого соединен с первым управляющим входом коммутатора, с выходом установки фиксированной частоты программируемого делителя частоты, с первым выходом блока памяти и с входом запрета счета реверсивного счетчика формирователя сигнала ошибки по температуре, вход направления счета которого соединен с вторым выходом блока памяти скорости изменения температуры и выдержки времени и с первым входом элемента И, подключенного вторым входом к выходу пускового элемента и второму управляющему входу коммутатора, соединенного третьим управляющим входом с первым входом элемента И и знаковым входом цифроаналогового преобразователя формирователя сигнала ошибки по скорости изменения температуры, сигнальный вход дифференциатора которого соединен с выходом датчика температуры, а тактовый вход - с выходом программного делителя частоты, группа выходов реверсивного счетчика формирователя сигнала ошибки по температуре соединена со второй группой соответствующих входов цифрового компаратора.

Недостатком данного устройства является длительное время установления требуемой температуры из-за невозможности получения большой скорости изменения температуры, так как большая скорость изменения температуры приводит к возникновению автоколебаний.

Известно также устройство автоматического регулирования температуры объекта (см. Н. А. Ярышев. Л.Б. Андреева. Тепловой расчет термостатов. - Л.: Энергоатомиздат, 1984 г., - с. 9 и 10), содержащее измерительный преобразователь температуры, схему сравнения, задающее устройство, регулирующий орган, источник питания и усилитель сигнала ошибки, причем выход регулируемого теплового объекта связан с входом измерительного преобразователя температуры, выход которого соединен с первым входом схемы сравнения, со вторым входом которой соединен выход задающего устройства, а выход соединен с первым входом усилителя сигнала ошибки, второй вход которого соединен с источником питания, а выход - с входом регулирующего органа, выход которого связан с входом регулируемого теплового объекта.

Недостатком известного устройства являются наличие перерегулирования температуры регулируемого теплового объекта вследствие его тепловой инерции, большое время установления температуры и низкая точность стабилизации температуры вследствие необходимости уменьшения коэффициента усиления из-за возможности возникновения автоколебаний, а также наличие статической ошибки стабилизации температуры вследствие темлообмена с окружающей средой.

Целью настоящего изобретения является исключение перерегулирования, уменьшение времени установления задаваемой температуры и повышение точности стабилизации температуры.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для регулирования и стабилизации температуры, содержащее измерительный преобразователь температуры объекта теплового регулирования, элемент сравнения температуры объекта теплового регулирования, первый вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя температуры объекта теплового регулирования, усилитель сигнала ошибки, регулирующий орган, находящийся в тепловом контакте с объектом теплового регулирования, введены теплоизолирующая оболочка для размещения объекта теплового регулирования, измерительный преобразователь температуры теплоизолирующей оболочки, элемент нелинейной коррекции, усилитель сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки, дифференциатор первого порядка, дифференциатор второго порядка, ЭВМ, блок согласования с ЭВМ, элемент сравнения ускорения изменения температуры, элемент сравнения скорости изменения температуры, элемент сравнения температуры теплоизолирующей оболочки, сумматор и второй сумматор.

При этом выход измерительного преобразователя температуры теплоизолирующей оболочки соединен со вторым входом элемента нелинейной коррекции и первым входом элемента сравнения температуры теплоизолирующей оболочки, выход которого соединен с входом усилителя сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки, а второй вход соединен с третьим входом элемента нелинейной коррекции, вторым входом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования и первым выходом блока согласования с ЭВМ, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора первого порядка и с первым входом элемента сравнения скорости изменения температуры, выход которого соединен с входом усилителя сигнала ошибки, а второй вход - с выходом элемента сравнения ускорения температуры, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора второго порядка и вторым входом блока согласования с ЭВМ, а второй вход - с выходом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования, а второй вход - со вторым выходом блока согласования с ЭВМ, информационный выход которого связан с ЭВМ, а третий вход соединен с выходом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования, первый вход которого соединен с входом дифференциатора второго порядка, входом дифференциатора первого порядка, выходом измерительного преобразователя температуры объекта теплового регулирования и первым входом элемента нелинейной коррекции, выход которого соединяй с выходом регулирующего органа, а четвертый вход соединен с выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом усилителя сигнала ошибки, а второй вход - с выходом усилителя сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки.

Введение усилителя сигнала ошибки позволяет исключить перерегулирование, а также уменьшить время нагрева или охлаждения объекта теплового регулирования путем увеличения скорости изменения температуры объекта теплового регулирования за счет подачи большей мощности на регулирующий орган. В дополнение к этому уменьшение времени нагрева или охлаждения объекта теплового регулирования достигается также в результате введения измерительного преобразователя температуры теплоизолирующей оболочки, элемента сравнения температуры теплоизолирующей оболочки и усилителя сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки, за счет того, что измерительный преобразователь температуры теплоизолирующей оболочки позволяет учитывать тепловые потоки, проходящие через теплоизолирующую оболочку, и в зависимости от их величины вводить дополнительную мощность на регулирующий орган посредством элемента сравнения температуры теплоизолирующей оболочки и усилителя сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки.

В то же время увеличение мощности регулирующего органа приводит к перерегулированию в процессе установления требуемой температуры. Для исключения этого явления в устройство введены дифференциатор второго порядка, элемент сравнения ускорения изменения температуры, элемент сравнения скорости изменения температуры и элемент нелинейной коррекции. Введение дифференциатора второго порядка, элемента сравнения ускорения изменения температуры и элемента сравнения скорости изменения температуры позволяет уменьшать скорость нарастания температуры объекта теплового регулирования при приближении к требуемой температуре. Тем самым достигается выход на требуемую температуру без перерегулирования. Введение элемента нелинейной коррекции также позволяет уменьшать мощность, подаваемую на регулирующий орган при приближении к требуемой температуре и избежать перерегулирования и колебаний температуры объекта теплового регулирования вблизи его требуемой температуры.

Вместе с этим элемент нелинейной коррекции позволяет поддерживать мощность регулирующего органа такой, чтобы компенсировались потери тепловых потоков через теплоизолирующую оболочку. Это достигается тем, что второй вход элемента нелинейной коррекции соединен с выходом измерительного преобразователя температуры теплоизолирующей оболочки и при достижении требуемой температуры объекта теплового регулирования на регулирующий орган подается только мощность, предназначенная для компенсации тепловых потоков через теплоизолирующую оболочку. Повышение точности поддержания температуры объекта теплового регулирования достигается введением блока согласования с ЭВМ и второго сумматора, которые позволяют скомпенсировать статическую ошибку поддержания температуры объекта теплового регулирования путем подачи дополнительного воздействия на регулирующий орган при ее возникновении. В то время как в известном устройстве управление регулирующим органом осуществляется только по разнице требуемой температуры и температуры объекта теплового регулирования, что приводит к перерегулированию, длительному времени выхода на требуемую температуру и статической ошибке поддержания температуры объекта теплового регулирования.

На чертеже представлена блок-схема устройства для регулирования и стабилизации температуры.

Устройство содержит теплоизолирующую оболочку 1, в которой размещен объект теплового регулирования, измерительный преобразователь температуры объекта регулирования 2, выход которого соединен с первым входом элемента нелинейной коррекции 3, с входом дифференциатора первого порядка 4, с входом дифференциатора второго порядка 5 и первым входом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования 6, второй вход которого соединен со втором входом элемента нелинейной коррекции 3, первым выходом блока согласования с ЭВМ 7 и первым входом элемента сравнения температуры теплоизолирующей оболочки 8, второй вход которого соединен с третьим входом элемента нелинейной коррекции 3 и выходом измерительного преобразователя температуры теплоизолирующей оболочки 9, находящегося в тепловом контакте с теплоизолирующей оболочкой 1, а выход соединен с входом усилителя сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки 10.

Выход последнего соединен с первым входом сумматора 11, выход которого соединен с четвертым входом элемента нелинейной коррекции 3, а второй вход - с выходом усилителя сигнала ошибки 12, вход которого соединен с выходом элемента сравнения скорости изменения температуры 13, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора второго порядка 4 и первым входом блока согласования с ЭВМ 7, а второй вход соединен с выходом элемента сравнения ускорения изменения температуры 14, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора второго порядка 5 и вторым входом блока согласования с ЭВМ 7, а второй вход соединен с выходом второго сумматора 15, первый вход которого соединен со вторым выходом блока согласования с ЭВМ 7, а второй вход - с выходом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования 6 и третьим входом блока согласования с ЭВМ 7, информационная шина которого соединена с ЭВМ 16. При этом выход элемента нелинейной коррекции 3 соединен с входом регулирующего органа 17, находящегося в тепловом контакте с объектом теплового регулирования.

Устройство работает следующим образом. В соответствии с программой, закладываемой в ЭВМ 16, на первом выходе блока согласования с ЭВМ 7 формируется сигнал, соответствующий требуемой температуре Т_о объекта теплового регулирования, который подается на второй вход элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования 6, на первый вход которого подается сигнал с выхода датчика температуры объекта теплового регулирования 2, соответствующий температуре Т объекта теплового регулирования. На выходе элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования 6 формируется сигнал, пропорциональный разности требуемой температуры Т_o объекта теплового регулирования, который подается на третий вход блока согласования с ЭВМ 7, с выхода которого он поступает в ЭВМ 16, а также поступает на первый вход второго сумматора 15, с выхода которого этот сигнал подается на второй вход элемента сравнения ускорения изменения температуры 14, на первый вход которого поступает сигнал с выхода дифференциатора второго порядка 5.

Разностный сигнал с выхода элемента сравнения ускорения изменения температуры 14 поступает на второй вход элемента сравнения скорости изменения температуры 13, на первый вход которого поступает сигнал с выхода дифференциатора первого порядка 4. Разностный сигнал с выхода элемента сравнения скорости изменения температуры 13 подается на вход усилителя сигнала ошибки 12, усиленный сигнал с выхода которого подается на первый вход сумматора 11. С выходя сумматора 11 сигнал поступает на четвертый вход элемента нелинейной коррекции 3, который на выходе формирует сигнал управления регулирующим органом 17. Регулирующий орган 17 осуществляет подвод или отвод тепла к объекту теплового регулирования и теплоизолирующей оболочке 1 в соответствии с полярностью сигнала, появляющегося на выходе элемента нелинейной коррекции 3. Изменение температуры теплоизолирующей оболочки 1 регистрируется измерительным преобразователем температуры теплоизолирующей оболочки 9. Сигнал, соответствующий температуре Т_из теплоизолирующей оболочки 1, поступает на второй вход элемента нелинейной коррекции 3 и на первый вход элемента сравнения температуры теплоизолирующей оболочки 8, на второй вход которого поступает сигнал, соответствующий температуре Т_о объекта теплового регулирования. С выхода элемента сравнения температуры теплоизолирующей оболочки 8 разностный сигнал подается на вход усилится сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки 10, с выхода которого усиленный сигнал поступает на второй вход сумматора 11.

Изменение температуры объекта теплового регулирования регистрируется измерительным преобразователем температуры объекта теплового регулирования 2. Сигнал, соответствующий температуре объекта теплового регулирования, с выхода измерительного преобразователя температуры объекта теплового регулирования 2 поступает на первый вход элемента нелинейной коррекции 3, на третий вход которого подается сигнал, соответствующий требуемой температуре Т_о объекта теплового регулирования. Одновременно сигнал с выходя измерительного преобразователя температуры объекта теплового регулирования 2 поступает на входы дифференциатора первого порядка 4 и дифференциатора второго порядка 5, а также на первый вход элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования 6.

Разностный сигнал с выхода элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования 6 поступает на первый вход второго сумматора 15 и третий вход блока согласования с ЭВМ 7. Одновременно с ним на первый и второй входы этого блока поступают сигналы с выходов дифференциатора первого порядка 4 и дифференциатора второго порядка 5 соответственно. Эти три сигнала поступают в ЭВМ 16, где в соответствии с программой формируется сигнал коррекции, который компенсирует статическую ошибку между требуемой температурой Т_о и температурой объекта теплового регулирования Т и поступает на второй выход блока согласования с ЭВМ 7. С этого выхода сигнал коррекции поступает на второй вход второго сумматора 15, с выхода которого сумма сигналов поступает на второй вход элемента сравнения ускорения изменения температуры 14, на первый вход которого при этом подается сигнал с выхода дифференциатора второго порядка 5.

Разностный сигнал с выхода элемента сравнения ускорения изменения температуры 14 подается на второй вход элемента сравнения скорости изменения температуры 13, на первый вход которого при этом поступает сигнал с выхода дифференциатора первого порядка 4. Полученный разностный сигнал подается на вход усилителя сигнала ошибки 12, с выхода которого усиленный сигнал поступает на первый вход сумматора 11, с выхода которого суммарный сигнал ошибки температуры объекта теплового регулирования и разностный сигнал требуемой температуры объекта теплового регулирования и температуры теплоизолирующей оболочки 1 поступает на четвертый вход элемента нелинейной коррекции 3. Элемент нелинейной коррекции 3 меняет величину сигнала, поступающего с выхода сумматора 11 на его вход, в зависимости от температур: требуемой Т_о, объекта теплового регулирования Т и теплоизолирующей оболочки Т_из. Если разность температур Т_о-Т и Т_о-Т_из велика, то элемент нелинейной коррекции 3 пропускает сигнал без изменений, а если разности малы, то величина сигнала уменьшается. При этом в первом случае регулирующий орган 17 работает на полную мощность, а во втором уменьшает свою мощность пропорционально подаваемому на него сигналу управления. Если разность T_o-Т равна нулю, то величина выходного сигнала выбирается такой, чтобы регулирующий орган 17 компенсировал утечки тепла из объекта теплового регулирования в теплоизолирующую оболочку 1 и далее в окружающую среду.

Формула изобретения

Устройство для регулирования и стабилизации температуры, содержащее измерительный преобразователь температуры объекта теплового регулирования, элемент сравнения температуры объекта теплового регулирования, первый вход которого соединен с выходом измерительного преобразователя температуры объекта теплового регулирования, усилитель сигнала ошибки, регулирующий орган, находящийся в тепловом контакте с объектом теплового регулирования, отличающееся тем, что в него введены теплоизолирующая оболочка, в которой размещен объект теплового регулирования, измерительный преобразователь температуры теплоизолирующей оболочки, элемент нелинейной коррекции, усилитель сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки, дифференциатор первого порядка, дифференциатор второго порядка, ЭВМ, предназначенная для формирования сигнала, соответствующего требуемой температуре, и сигнала коррекции для компенсации статической ошибки между требуемой температурой и температурой объекта теплового регулирования, блок согласования с ЭВМ, элемент сравнения ускорения изменения температуры, элемент сравнения скорости изменения температуры, элемент сравнения температуры теплоизолирующей оболочки, сумматор и второй сумматор, причем выход измерительного преобразователя температуры теплоизолирующей оболочки соединен со вторым входом элемента нелинейной коррекции и первым входом элемента сравнения температуры теплоизолирующей оболочки, выход которого соединен с входом усилителя сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки, а второй вход соединен с третьим входом элемента нелинейной коррекции, вторым входом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования и первым выходом блока согласования с ЭВМ, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора первого порядка и с первым входом элемента сравнения скорости изменения температуры, выход которого соединен с входом усилителя сигнала ошибки, а второй вход с выходом элемента сравнения ускорения температуры, первый вход которого соединен с выходом дифференциатора второго порядка и вторым входом блока согласования с ЭВМ, а второй вход с выходом второго сумматора, первый вход которого соединен с выходом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования, а второй вход со вторым выходом блока согласования с ЭВМ, информационный выход которого связан с ЭВМ, предназначенной для формирования сигнала, соответствующего требуемой температуре, и сигнала коррекции для компенсации статической ошибки между требуемой температурой и температурой объекта теплового регулирования, а третий вход соединен с выходом элемента сравнения температуры объекта теплового регулирования, первый вход которого соединен с входом дифференциатора второго порядка, входом дифференциатора первого порядка, выходом измерительного преобразователя температуры объекта теплового регулирования и первым входом элемента нелинейной коррекции, выход которого соединен со входом регулирующего органа, а четвертый вход соединен с выходом сумматора, первый вход которого соединен с выходом усилителя сигнала ошибки, а второй вход - с выходом усилителя сигнала ошибки по температуре теплоизолирующей оболочки.

РИСУНКИ

Рисунок 1