Способ программного регулирования греющей мощности

 

Изобретение относится к области машиностроения, электроннной, пищевой, перерабатывающей промышленности, в частности, для регулирования температуры объекта по заданной программе. Технический результат заключается в упрощении подбора коэффициента пропорциональности К и в увеличении скорости перехода от одной температуры к другой. Предлагается нагрев объекта осуществлять предельной греющей мощностью, а в процессе нагрева осуществлять последовательно три измерения температуры через равные интервалы времени, начиная с момента, при котором устанавливается регулярный режим. Вычисляют греющие мощности, соответствующие каждому значению программно изменяющейся температуры. Удержание заданной программой температуры осуществляют подачей соответствующей этой температуре вычисленной греющей мощности в момент совпадения заданной программой температуры с температурой объекта. 2 ил.

Изобретение относится к области машиностроения, электронной, пищевой, перерабатывающей промышленности, в частности, при регулировании температуры объекта по заданной программе.

Известен способ программного регулирования (см. а.с. № 954969 авторов Губайдуллин Г.А., Алферов Г.Д. "Устройство для программного регулирования инерционных процессов" опубл. 30.08.82. Бюл. №32), в котором ступенчатая греющая мощность воздействует периодически до достижения программой заданной температуры объекта.

К причинам, препятствующим достижению указанного технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе общее время достижения заданной температуры превышает время воздействия импульсов греющей мощности.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ программного регулирования греющей мощности, в котором формируется программа изменения температуры объекта, измеряется температура объекта, формируется ступенчатая греющая мощность, задаются интервалы времени нагрева (см. а.с. № 1464147 авторов Воронов В.Г., Гапон А.И., Гунбин М.В. и др. "Способ программного регулирования и устройство для его осуществления", опубл. 07.03.89. Бюл. №9), принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе переход от одной заданной программой температуры к другой происходит под воздействием небольшой амплитуды единичной мощности, скорость нагрева при этом небольшая, и время установления программной температуры возрастает, а также для реализации программного изменения температуры необходимо иметь большой массив коэффициентов пропорциональности К. При изменении количества греющего материала или изменении его теплофизических характеристик массив коэффициентов соответственно увеличивается.

Сущность изобретения заключается в следующем. В режиме разгона наибольшую скорость нагрева объекта можно получить, воздействуя предельной мощностью Р_пр источника тепла. Известно, что при подаче ступеньки греющей мощности нагрев из стадии иррегулярной через некоторое время переходит в регулярную стадию. Это время определяется числом Фурье Fо>0,3 (см., например, Теплотехника: Учебн. для вузов \В.Н.Луканин, М.Г.Шатров, Г.М.Камфер и др.; Под ред. В.Н.Луканина. - М.: Высш. Шк., 1999, стр. 451). В регулярной стадии начальные условия практически не влияют, и выражение для температуры объекта имеет вид

где Т_с - температура среды;

Т_ст - установившаяся стационарная температура;

τ - текущее время;

А - темп. нагрева.

Выберем на кривой нагрева объекта предельной мощностью источника тепла при регулярном режиме (см. фиг.1) время начала отсчета температуры τ_н. Отложим по оси времени три точки, равноудаленные друг от друга и времени τ_Н(τ₁-τ_Н=τ₂-τ₁=τ₃-τ₂).

Запишем мгновенные значения температур, соответствующие этим временам

где Т_m - максимальная температура перегрева объекта.

Разделим левую и правую части (1) на левую и правую части (2), а левую и правую части (2) на левую и правую части (3) соответственно и, решая систему уравнений относительно Т_m, получим максимальную температуру перегрева

Допустим, что необходимо нагреть объект предельной мощностью источника тепла до какой-то рабочей стационарной температуры Т_р<Т+Т_с и удержать ее на этом уровне, и Т_р=Т_с+ΔТ_р, где ΔТ_р - температура перегрева объекта. Так как температура Т_р постоянна, то температуру перегрева объекта можно записать (см., например, Закс Д.И. Параметры теплового режима полупроводниковых микросхем. - М.: Радио и связь, 1983, стр. 30)

где Р_р - рабочая мощность источника тепла и Р_р<Р,

R_t - тепловое сопротивление объекта.

Аналогично, при подаче предельной мощности источника тепла Р_пр объект через некоторое время нагреется до температуры Т_m+Т_с и

Преобразуя (5) и (6) относительно R_t и подставляя (4), получим

где

Коэффициент пропорциональности К будет постоянен для данного греющего материала, соответствует его массе, теплофизическим характеристикам, условиям теплообмена с окружающей средой и др.

Нагрев объекта при переходе с одной температуры на другую осуществляется предельной мощностью Р_пр источника тепла. Скорость нагрева при этом наибольшая. Охлаждение объекта при переходе с высокой температуры на низкую осуществляется при полном снятии греющей мощности. Удержание температуры объекта в соответствии с программой происходит в момент времени, когда температура при нагреве или охлаждении достигает программой заданного значения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в упрощении подбора коэффициента пропорциональности К и в увеличении скорости перехода от одной температуры к другой.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе программного регулирования греющей мощности, включающем формирование программы изменения температуры объекта, измерение температуры объекта, формирование ступенчатой греющей мощности, задание интервалов времени нагрева, особенность заключается в том, что с подачей предельной греющей мощности источника тепла производят последовательно три измерения температуры объекта через равные интервалы времени, начиная со времени, при котором устанавливается регулярный режим нагрева, вычисляют максимальную температуру перегрева объекта, вычисляют греющие мощности, соответствующие каждому значению программно изменяющейся температуры, и нагрев объекта до заданной программой значения температуры или его охлаждение осуществляют подачей предельной греющей мощности источника тепла или ее полным снятием, а удержание заданной программой температуры осуществляется подачей соответствующей этой температуре вычисленной греющей мощности в момент совпадения заданной программой температуры с температурой объекта.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части (элемента, действия) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижения при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);

- увеличение количества однотипных элементов, действий, для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;

- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменение ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.

На фиг.1,а представлено программное изменение температуры объекта в виде отрезков горизонтальных линий. Длительность горизонтальных участков постоянной температуры также задается программой. Переходные участки температуры от одного уровня линий к другому не программируются, и время процесса перехода зависит от теплофизических свойств материала объекта, его количества, изменения условий теплообмена объекта с окружающей средой и т.д.

На фиг.1,б представлено программное изменение мощности нагрева для реализации программного изменения температуры. Каждому горизонтальному участку температуры на фиг.1,а соответствует греющая мощность, вычисленная по выражению (7).

На фиг.2 представлена функциональная схема, реализующая способ программного регулирования греющей мощности. Схема содержит датчик температуры 1, преобразователь 2, первый электронный коммутатор 3, программный таймер 4, запоминающие устройства (ЗУ) температуры среды Т_c 5, ЗУ температуры T₁ 6, ЗУ температуры Т₂ 7, ЗУ температуры Т₃ 8, второй электронный коммутатор 9, вычислитель коэффициента К 10, ЗУ коэффициента К 11, программный задатчик температуры объекта Т_р 12, вычитатель Т_р-Т_c 13, задатчик предельной мощности источника тепла Р_пр 14, компаратор 15, умножитель 16, третий электронный коммутатор 17.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, приводятся в следующей последовательности.

Перед реализацией первого значения температуры объекта, заданной программным задатчиком 12, определяют коэффициент пропорциональности К. Для этого программный таймер 4 последовательно выдает команды на замыкание каналов электронного коммутатора 3 сначала для записи в ЗУ 5 температуры среды Т_c от датчика температуры 1 и преобразователя температуры 2 в электрический сигнал. Затем, начиная с некоторого начального заданного момента времени τ_н, после которого иррегулярный режим нагрева переходит в регулярный, программный таймер 4 выдает команды через равные промежутки времени (τ₂-τ₁=τ₃-τ₂) на запись в ЗУ 6, 7, 8 значения температур T₁, T₂, Т₃. После окончания записи температуры Т₃ подается команда с таймера 4 на второй электронный коммутатор 9 и вычислитель 10 определяет коэффициент пропорциональности К, характерный только для данного материала объекта, причем коэффициент К для одного и того же материала может меняться от загрузки к загрузке в зависимости от его количества. Значение коэффициента К записывается в ЗУ 11. Определение коэффициента К осуществляется при воздействии на объект предельной греющей мощности источника тепла Р_пр, которая задается задатчиком Р_пр 14 через третий электронный коммутатор 17, управляемый программным таймером 4. Одновременно с третьим каналом коммутатора 3 замыкается четвертый канал, и первый электронный коммутатор 3 соединяет датчик температуры 1 и преобразователь 2 с первым входом компаратора 15, на второй вход компаратора подается опорное напряжение, соответствующее первому значению программной температуры от программного задатчика температуры 12. При совпадении температур сигнал с компаратора 15 поступает на программный таймер 4, который дает команду на переключение третьего электронного коммутатора 17 из режима максимальной скорости нагрева на режим удержания температуры. Начиная с этого момента, вычисляется греющая мощность Р_р в соответствии с выражением (7). Реализация выражения (7) осуществляется умножителем 16, на входы которого поступают сигналы с вычитателя 13, ЗУ 11 и задатчика 14.

На участке перехода температуры от большего значения к меньшему (см. фиг.1) программный таймер 4 переключает коммутатор 17 в положение, при котором сигнал управления мощностью нагрева равен нулю.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения (способа) следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области машиностроения, электронной, пищевой, перерабатывающей промышленности, в частности, при регулировании температуры объекта по заданной программе;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”

Формула изобретения

Способ программного регулирования греющей мощности, включающий формирование программы изменения температуры объекта и измерение температуры объекта, отличающийся тем, что при воздействии на объект предельной греющей мощностью производят последовательно три измерения температуры объекта через равные интервалы времени, начиная с момента времени, при котором устанавливается регулярный режим нагрева объекта, в соответствии с измеренными температурами вычисляют максимальную температуру перегрева объекта, которую используют при вычислении греющих мощностей, соответствующих каждому значению заданной программой температуры объекта, и нагрев объекта или его охлаждение до заданной программой температуры осуществляют соответственно подачей предельной греющей мощности или полным снятием греющей мощности, а удержание заданной программой температуры осуществляют подачей соответствующей этой температуре вычисленной греющей мощности в момент совпадения заданной программой температуры с температурой объекта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2