А. и. свиридова, л. л. иванова, с. в. лавров, а. с. л'1ашницкий н а. 3. страшун
293 3I0
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВЙДЕТЕЛЬСТВУ
Союз Советских
Социалистических
Республик
Зависимое от авт. свидетели ства ¹
Заявлено 13.И!1.1968 (¹ )262498!24-7) !!1ПК Н 05b 1!02
G 011 702
G 05d 23 22 с присоединен!ем заявки М
Приоритет
Опубликовано 15.1.1971. Бюллетень ¹ 5
Дата опубликования описания 26.III.1971
Комитет по делам изобретений и открытий при Совете 1т1инистров
СССР
У;1 1 621.317.39.536.53+
+621.316.79 — 533. .65:621.365 (088.8) Авторы изобретения Н. Ф. Мсльчаков, В. В. Русаков, М. С. Добряков, А. И. Свиридова, Л. Л. Иванова, С. В. Лавров, А. С. Машницкий и A. 3. Страшун
Заявитель
I рС
i! !
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И АВТОМАТИЧЕСКОГО - :- .- " - — т
РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электротермии, например, при измерении и автоматическом регулировании высоких температур электрических нечей.
Металлургия кристаллов, цветных и особо чистых металлов и сплавов, полупроводниковых, силикатных и элсктротехьп!ческих материалов и производство изделий из них осуществляются в электропечах с высокой температурой термообработки. Их «а iccTBQ зависит от точности выдержки температуры и мощности нагрева электропечей, а также от технологических режимов термообработкн, расплава, зонной чистки материалов объектов, т. е. от программирования.
Известны устройства для измерения и автоматического регулирования высоких температур электрических печей, содержащие датчик температуры, например двухэлектродную термопару, и заключенные в заземленйые экраны блок подавления термо-э.д.с. со стабилизированным источником питания н измерительной схемой и измерительный блок с измерительным звеном и усилителем, заключенным в свой заземленный экран. Первичные обмотки силовых и промежуто шого трансформаторов обоих блоков заключены в заземленные экранные обмотки, и линии связи между датчиком температуры, блоком подавления термо- э.д.с., измерительным блоком, а также между уснлвтелсм и измерительным звеном измерительногo блока также заключены в экраны.
Однако такие устройства нс позволяют досТНТо шо точно измерять и регулировать тем;!сратуру в зоне высоких температур, потому чтo с повышением температуры в
i;ле !ях сопротивления резко падает со10 нротпвлснис нзоляц!ш футеровкн как датilI«;i, так н особенно самой электропеii». Б пределе можно сштать, что рабочий
ci«lil термонары гяльваш1чески соединяется с э:!с«трон агрсвятслe»!. Та«но! Обрязом, помимо Iloмех зле«тромсl! ннтнОГО н электростяти чсского полей электронагревателей (поперечных помех) к дат шку прикладывается рабоiiec напряже1ше нагревателя, создавая токи утечек Iio переменному току, Il на пзмернтель20 ных цепях блокоь регулятор-: наводится разностная э.д.с. номсхн — продольная помеха.
Подобн»1м же Обра:oi! co3aIIIOTc!I I OHTypbi токов утечек от ilcTQ шиков питания измерительных схем и от э.д.с. постоянного тока
25 термопар. Кроме того, в связи с примснсниСМ В КЯ11ЕСТВС !!CIIO.1ННТС ILiIII IX УCTPOIICTB МЯГннтнь.х нлн тирнсторных элементов, управля!Они«к Ilo.!явасмой на электропечи мощностью питания, зня штельно искажается фор30 ма напряжения ннтжшя регулятора н нагреBатcJIB, появляются высокие напряжения составляющих нечетных гармоник 1б0 в — 150 гц и 87 в — 250 гц, также прикладываемых к датчику через футеровку и создающих продольные помехи.
Понижение сопротивления утечки при высоких напряжениях нагревателя 220/380 в может привести к повреждению термопары или входных цепей измерительных блоков из-за недопустимо больших токов, проходящих через них.
Аналогично продольные помехи на входе могут наводиться через сопротивления утечек и от сети через выходные блоки и цепи регулятора. Например, на усилитель измерительного микровольтметра могут наводиться токи утечки с силовых и промежуточных трансформаторов, с электродвигателя РД-09П, с выхода и входа регулирующего устройства и т. д.
Предлагаемое устройство отличается от известных тем, что в нем стабилизированный источник питания и измерительная схема блока подавления термо-э.д.с., входной и промежуточный каскады усилителя и измерительное звено измерительного блока заключены в дополнительные экраны, помещенные внутри заземленных эранов, силовые и промежуточный трансформаторы снабжены дополнительными экранами и экранными обмотками, все дополнительные экраны и экранные обмотки изолированы высокоомной изоляцией как от заземленных экранов, так и от элементов блоков и соединены с экранами линий связи, а также посредством дополнительной линии связи с датчиком температуры, причем дополнительная линия связи заключена в тот же экран, в который заключены линии связи, отходящие от термопары. Такое выполнение устройства позволяет повысить точность измерения и регулирования температуры.
На фиг. 1 изображена электрическая схема, поясняющая принципы обеспечения помехозащищенности предлагаемого устройства от продольных помех; на фиг. 2 — блок-схема прецизионного регулятора; на фиг. 3 — принципиальная схема блока подавления термоэ.д.с.; на фиг. 4 — принципиальная схема автоматического измерительного блока; на фиг. 5 — принципиальная схема измерительного звена измерительного блока; на фиг. б— принципиальная схема усилителя измерительного блока; на фиг. 7 — принципиальная схема регулирующего устройства.
Напряжение от точки А нагревателя (фиг. 1) через точки Б и В термопары прикладывается к сопротивлениям утечек Z„точек Г и Д, создавая токи утечки I> и 1 по переменному току 50 гц. Так как сопротивления проводов измерительных схем принципиально не могут быть одинаковыми, то токи утечек 1, и I создают различные падения напряжения ЛУ и AUg, разница между которыми AU прикладывается к входному сопротивлению Z,, устройства. Сопротивления утечек в точках Г и Д также могут быть различными и еще больше увеличивать уровень продольных помех. В результате напря.кение ЛУ забивает тракт усиления блоков и приборов, например обычные самописцы становятся
«âÿëûìè», «áåçðàçëè÷íûMè» и резко увеличивают погрешность, причем с большой асимметрией.
В устройстве имеются два входных измерительных блока — блок подавления термоэ.д.с., по которому задается и отсчитывается истинное (абсолютное) значение регулируемого параметра, и узкопредельный автоматический измерительный блок, по которому измеряется и регистрируется отклонение истинного значения регулируемого параметра от заданного уровня. Для помехозащищенности блок подавления э.д.с., стабилизатор и мостовая измерительная схема помещаются в массивный стальной экран и изолируются от него высокоомной изоляцией Z,i. Этот экран изолирован от заземленного экрана высокоомной изоляцией Z,- и соединен с аналогичным экраном измерительного блока. Измерительное звено измерительного блока, преобразовательный каскад и часть каскадов усиления усилителя напряжения также помещены в массивный стальной экран и изолированы от него высокоомной изоляцией Z„>. Через высокоомную изоляцию Z„-> этот экран присоединяется к заземленному экрану. Подводящие провода от термопары заключены в стальной экран, изолированный от «земли». Увеличение сопротивления изоляции ?,. уменьшает токи утечек, особенно по переменному току, однако не устраняет их.
Присоединение изолированного экрана отдельным проводом АА к одному из зажимов холодных спаев термопары (к минусу — точка В) практически полностью устраняет токи
40 утечек по переменному току через провода измерительных схем, т. е. ликвидирует продольные помехи, поскольку потенциалы всех точек А, Б, В, I; Д и А становятся одинаковыми (по схеме провод АА присоединен к рабочему спаю А, так как сопротивление термопары мало).
Токи утечек от помех, наводимых полями, источниками питания измерительных схем и э.д.с. термопары также уменьшаются с увели 0 чением сопротивления изоляции Z, Аналогично повышение сопротивления изоляции Z,-з силовых и вводимого проме>куточного трансформаторов 2, высокоомное электрическое пли гальваническое разделение выходных цепей измерительных блоков от входных цепей последующих блоков уменьшает токи утечек со стороны сетевого напряжения питания всех блоков.
Регулятор (фиг. 2) состоит из подключаемого к объекту (печи) 1 датчика (термопары) 2, блока 8 подавления термо-э.д.с., измерительного блока — автоматического самопишущего микровольтметра 4, регулирующего устройства 5 и исполнительного устройства 6. Регу65 лятор обеспечивает работу с термопарами
293310
ХА, ПП, ПР-6/30 с пределами измерения
0 — 1100 С, 0 — 1600 С, 0 — 1800 С и соответственно с пределами подавления 0 — 20 или
0 — 50 мв, пределами измерения +-125, 250, 500 тткв, чувствительностью 0,4 — 1 якв, пределами изменения стагизма 1 — 400%, времени изодрома 1 — 3000 сек и времени предварения 0,2 — 500 сек и управление любой мотциостью электропечи в зависимости от выбранного типоразмера исполнительного устройства.
Блок подавления термо-э.д.с. (фиг. 2 и 3) рассчитан для работы с термопарами ХЛ, ПП, ПР-6/30 иа пределы подавления 0 — 20 или
0 — 50 ттв иа «грубом» и 0 — 1 или 0 — 2,5 лв на «точиом» поддиапазоиах и представляет собой прецизионный источник регулируемого напря>кения. Ои состоит из источника 7 стабилизированного питания с коэффициентом стабилизации 10000 и измерительной схемы 8, содер>кащей два прецизионных 10-оборотных переменных сопротивлештя 9 и 10, иметощих отсчетное устройство с ценой деления в 0,1% каждое, и постоянные сопротивления. Величина сопротивления «точиого» потенциометра составляет 1/20 от «грубого», т. е. цена деления «точного» потенциометра составляет
0,005% от шкалы блока подавления термоэ.д.с. Однако цена деления может быть и лтобой другой.
Стабилизированный источник питания и мостовая измерительная схема помещены в массивные стальные экраны 11 и 12 и изолируются от пих высокоомной изоляцией, а весь блок помещен в заземленный экран 18. Силовой трансформатор 14 также помещен в экран 15, подключенный к изолировантттпт экранам 11 и 12. Обмотки 16 и 17 трансформатора 14 отделены от сетевой обмотки 18 двумя экранными обмотками 19 и 20. Обмотка 19 подсоедипена к изолированному экрану 15, а обмотка 20 — к заземленному экрану 18.
Экранные обмотки также изолируются высокоомной изоляцией.
Стабилизатор 21 источника заключен в дополнительный экран 22. К отрицательному за>киму термопары подключен вттравнттвающттй привод 28, который подсоединен к изолированным экранам 11 и 12. Сдвоенные сопротивления в некоторых цепях представляют собой либо подгоночные, либо термокомпенсационные сопротивления.
Автоматический самопишущий микровольтметр 4 или 4 слу>кит для измерения и записи истинного значения или отклонения от заданного значения регулируемого параметра. По входу on стыкуется или непосредственно с термопарами, или с блоком подавления термоэ.д.с. и термопарами, а по выходу через встроенные вторичный датчик и задатчик — с последутощими блоками, например регулирутощими устройствами регуляторов.
Микровольтметр представляет собой высокочувствительную следящую систему с пределами измерения 125, 250 и 500 мкв и чув5
65 ствптельностью ОЛ вЂ” 1 тткв. Прттттттттпттальная схема канала измерештя и регулирования состоит из звсиа измерительной схемы 24 (фиг. 4 и 5), многокаскадиого полупроводникового усилителя 25, схем компенсационного реохорла 26 и электродвигателя 27.
Кроме того, для связи со входами регулирующих устройств в корпус самописца встроены реохорды вторичного датчика 28 п задатчика 29 для ручного задания. Звено измерительной схемы 24, включая компенсациоттный реохорд 26 и усилитель 25 напряжения, п специально введенный для обеспечения помехозащищепиостп промежуточный трансформатор 80 (фиг. 6) заключены в массивиыс стальные экрашт 81 и 82 и изолированы от них высокоомной изоляцией. Экраны 81 и 82 соединены общим проводом. К штм подсоединены экраны 88 всех подводящих входных проводов. В свою очередь изолированные экраны,31 и 82 помещены в заземленные экраны 84 и изолированы от них высокоомной изоляцией.
Входной 85 и промежуточный 80 трансформаторы, вибропреобразователь 86 также заключены в изолированные экраны 87 — 89 и подсоединены к общему изолированному экрану 82 (фиг. 6). Первичные обмотки входного 85, промежуточного 80 и силового 40 трансформаторов отделены изолированными высокоомной изоляцией экранными обмотками 41» 42. Обмотка 41 подсоединяется к изолированным экранам 82, а обмотка 42 — к заземленному экрану 84.
Измерительный блок 24 (фиг. 4 и 5) состоит пз делителей — сопротивлений 48 и переключателя 44 диапазонов измерения, а блок усилителя 25 (фттг. 4 и 6) — из модулятора— вибропреобразователя 86, входного трансформатора 35, семи полупроводниковых каскадов усилителя иапря>кенття 45, промежуточттого трансформатора 80, выходного двухтактного полупроводникового каскада 46, силового трансформатора 40 и выпрямителя 47 с фттльтром. Провода 48 подводятся к делителю 49 глубины жесткой обратной связи в измерительном блоке (фиг. 5 и 6), а провода 50— к управлятощей обмотке компенсационного ревет>сттвного электродвигателя 27 (фиг. 4 и 6).
Регулирующее с.строттство 5 (фиг. 2 и 7) представляет собой высокоомный полупроводниковый операционный усилитель постоянного тока автогенераторного типа на четырех транзисторах, обхваченный различными вттдами отрицательной обратной связи, обеспечивающими различные законы регулирования.
Для повышения устойчивости введены два резонансных контура 51 и 52 с разнесенными частотами.
В качестве исполнительного устройства 6 (т1тттг. 2) использутотся либо серийно вьтп1 скаемые магттттттттте усилители 58 типа ТУМ и силовые магнитные дроссели насыщения 54 типа УСО, либо полупроводниковые с тиристорным выходом усилители, либо возбуди293310 тели 55 генератора и высокочастотные генераторы 56. Дроссели пасьццения 54 подсоединены к печному трансформатору 57, связанному с датчиком 58 обратпои связи.
Регулирующие устройства могут работать от сигналов {Π— 1-5) ла, (Π— 5, 5 — -0 — 5, 0—
+5) в, на выходе выдают сигнал 0 — 20 1!а постоянного тока, обеспечивают тс же пределы настроек, что и весь регулятор.
Устройство работает слсдук цим образом.
Дат:ик, установленный па объекте, измеряет регулируемый параметр и 11одает сигнал на блок подавления тер «о-э.д.с., который одновременно является высокостабильпым подавителем и высокости би,7ьи ы м з адат шко м температуры.
С диа! Опа 7и моcTа, Ооpс1зоваииo чв|f?K! .ами переменных сопротивлений, снимается э.д.с. выхода, являющаяся линейной функцией перемещения движков. Для термокомпенсации изменения э.д.с. выхо |а подавителя при изменении впеп ией окружающей температуры в измерите Ihlioh! мосте и источнике питания введены Tcðìoêoìïcïcllðó!ol17èå медные сопротивления. 25
Измеряемая разность э.д.с. тер..!опары и
IloIJàâèTåEIÿ подается г, диагональ моста измерительной схемы, к другой диагонали которого подводится постоя11пое напряжение от источника стабилизирова|п!ого питания. ЗО
Напряжение разбаланса поступает па вход усилителя, преобразуется вибропреобразователем и входным трансформатором в пропорциональное переменное напряженно, усиливается и поступает на управляющую обмотку двухфазного асш!хроииого электродвигателя. B зависимости от знака сигнала разбалаиса двигатель вращается в том пли другом направлении и перемещает кинем атичсскп связанный с ним движок вторичного датчи- 40 ка реохорда до наступления равновесия и измерительной схеме.
Регулировка коэффициента ус!!лсния осуществляется по каждому из трек пределов измерения отдельными потеицио cTp7il:!. В 45 прибор встроен вторичный датчик, с которого подается соотвстству|ощий разбал Elle ца регулирующее устройство.
Сигнал, пропорциональный отклонению параметра от заданного значения, поступает па 50 управляемый автогенератор, состоящий из высокоомиого модулятора и усилителя.
Частота колебаний автогснератора определяется параметрами генераторпого контура.
С управляемого автогенератора сигнал поступает на усилитель напряжения, в коллекторную цепь которого включен второй узкополосный контур, а затем — па усилитель мо|цности. К выходу регулирующего устройства подключается вход исполнительного устрой- бо ства (магнитного или тиристор |ого|. которы!н управляется мощность, поступи Ощ:i>! И|а элсктропечь.
Значите7ьпое lloIEE.I.Ie!»Ie чувствительности узкопреде.чы|ых пзмc)р" тельных устройств, вы- б5 сокоомности входов регулирующих устройств, формирующих законы регулирования с большими временами интегрирования и дифференцирования, и другие причины вызывают внутренние помехи, что приводит к необходимости включения мощаых фильтров, т. с. больших реактивных элеменfoB и звеньев.
Ф а 3 О в ь! е сдвиги т а к и х I)1 11.7 I> T p o a II p o» el I i T o ÷ного и выходного трансформаторов, модуляторов, дсм11;цляторов и каскадоь усиления ведуT к неуcToйчивости не только всего регулятора, ио и самих блоков.
Д.7я ликвидации этих явлений в регуляторе в цепь компенсирующей обратной связи измеритслыюго блока вводятся дополнительные интегро-дифференцирующие РС-звенья, а в регулирующее устройство два узкополосных резонансных фильтра. Этим обеспечивается помехозащищ 1111ocTE>, т. р. повышается прецизиониость измерения !I регулирования.
Г)овышеиие сопротивления изоляции Z, хмс!!ьlllclcT Опас|1(|сть пов)эеждепl|я термо!1а)7 и вхо,чных цепей измерительных блоков.
Таким образом, предлагаемое устройство имеет следующие специфические особенности;
1) измерительные и вхо,чпые цепи измерительных блоков помимо общего корпуса прибора помещены в два электромагнитных экрана — заземленный Ilapy>I 2) измерительные и входные цепи измерительных блоков изолированы высокоомной изоляцией от обоих экранов; 3) выходные цепи измерительных и входных цепей последующих блоков разделены от выкодных устройств и цепей (силовых и разделительных трансформаторов) двумя экранными обмотками, одна из которых заземлена, а другая подсоедипепа к изочированнь!м экранам; все оомотки, в том числе и экранные, изолированы высокоомной изоляцией; 4) очин из концов датчика,дополнительIII>Iil, выравнивающим потенциал всех точек измерительных схем проводом соединен с изолированным экраном измерительных блоков; 5) линия связи, соединя|оп|ая датчик со вхо;|ами измеритель Il,lx устройств, совместно с выравнивающим проводом заключена в изо7ированный экран, также соединенный с изолированными экранами; 6) вес изо !I!porn!I! II IC экраны I,cev блоков II „IIIIIIIII CL>SI3El COC 3EIIIClII> Общим llpOI:,O,TO!E!; 7) вход регулируюп|его устройства гальваIllIчески отделен путем механической связи его вхо7a с выходом самописца; 8) с целью повышения устойчивости в цепь самописца включены интегро-дифференцирующие фильтры, а в схему регулирующего устройства — два резонансных контура с разнесснн1-. 3111 ч ястота ми; 9) ьсс блоки — — полупроводниковые, имеют широкие диапазоны настроек и малый дрейф; входи. Ie блоки могут быть узкопределы!ыми ПРСЦИЗИОЩ|ЦМИ;. 293310 20 Т ! Г г 10) в регулирующем устройстве применен высокоомный полупроводниковый на стабилитронах с последовательно-встречным»х соединением модулятор; 11) применена блок-схема с минимальным числом блоков. Эти особенности позволяют получить современные помехозащищенные прецизионные системы автоматического измерения и регулирования и обеспечивают малые габариты, вес, потребляемую мощность, хорошую устойчивость, универсальность и унификацию, широкие пределы настроек и достаточно высокую надежность устройства. Предмет изобретения Устройство для измерения и автоматического регулирования высоких температур электрических печей, содержащее датчик температуры, например двухэлектродную термопару, и заключенные в заземленные экраны блок подавления термо-э.д.с. со стабилизированным источником питания и измерительной схемой и измерительный блок с измерительным звеном и усилителем, заключенным в свой заземленный экран, причем первичные обмотки силовы х и промежуточных трансформаторов обоих блоков заключены в заземленные экранные обмотки, и лкпши связи между датчиком температуры, блоком подавления термоэ.д.с., измерительным блоком, а также между усилителем и измерительным звеном из11ерительного Олока также закл!о 1ены в экраны, отличающееся тем, что, с целью повышен.lя точности измерения и ре гулирования, стабилизированныи источник пита1шя и измерительная схема блока подавления термо-э.д.с., входной и промежуточный каскады усилителя и измерительное звено измер:1тельного блока заключены в дополнительныс экраны, помещенные внутри заземленных экранов, силовыс и промежуточный трансформаторы снабжены дополнительными экранамп и экранными обмотками, все дополнительные экраны и экранные обмотки изолированы высокоомной изоляцией от заземленных экранов и элементов блоков и соединены с указанны;ш экранами линий связи, а также посредством дополнителы|ой линии связи — с датчиком температуры, причем допо Iпптельная линия связи заключена в тот же экран. в который заключены линии связи, о"ходящие от термопары. Cem azoic Фиг 3 Кбпо у 6 293310 Фиг. 4 1 1 I ) 1 1 1 I I 1 1 1 1 Cemc гги 1 1 3v ! Составитель А. Обух Редактор А. Ю. Пейсоченко Техред А. А. Камышнпкова Корректор Л. Б. Бадылама Изд, ¹ 262 Заказ 603 11 Тираж 473 Подписное Ц1-1ИИПИ Комитета по делам изобретений и открытп13,прн Совете i !èíèñòðîâ СССР Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2
