Главная Промышленная автоматика.

При термостатировании одного и того же объекта и использовании вакуумной теплоизоляции энергопотребление уменьшается в 3,8-4,2 раза по сравнению с коэффициентом пористой теплоизоляции [721.

При использовании вакуумно-порошковой теплоизоляции пространство между стенками сосуда Дьюара злполняют порошковым материалом, например перлитом. Это понижает теплопроводность до 2-3,4 мВт/{м>С).

Дальнейшее уменьшение теплопроводности до 0,04 - 0,06 мВт/(м-°С) достигается использованием вакуумно-мпогослой-ной теплоизоляции с числомслоев от 25 до 60 на 1 см. Ее выполняют в виде прокладок полиэтилентерефталатнон алюминиевой пленки со стекловатой, которые помещают между стенками cocvдa Дьюара [33, 81].

Наряду с рассмотренными составными частями термостатнрующего устройства важное место занимают датчики температуры. По принципу действия они чаще всего используют зависимость электрических параметров различных элементов от температуры. Существуют различные разновидности таких датчиков: проволочные термометры сопротивления; полупроводниковые датчики, в том числе диодные н транзисторные; пьезокварцевые; сегиетоэлектрические.

Наибольшее распространение получили полупроводниксые терморезисторные датчики КМТ-1 (стержневые) и СТ1-17 (дисковые), обладающие высокой стабильностью прн повышенных температурах, а также терморезисторные датчики СТ1-19, СТЗ-19 и СТЗ-25 (бу-синковые), имеющие, кроме того, и малую постоянную времени. Применение других типов датчиков будет рассмотрено ниже.

8.3. Регуляторы температуры

В состав регуляторов температуры, применяемых в ТСКГ генераторах, в общем случае входят:

задающее устройство, определяющее значение заданной температуры термостатировання;

предварительный усилитель сигнала, пропорционального отклонению температуры датчика от заданного значения;

регулирующее устройство, определяющее закон регулирования, т. е. функциональную связь между отклонением температуры и управляющим воздействием;

исполнительный усилитель, создающий управляющее воздействие на термостат.

Все эти звенья регулятора включены выестетГдатчиком и нагревателем термостата в единое замкнутое кольцо, oбecJleчивaющee автоматическое регулирование температуры термостатируемого объекта.

С точки зрения закона регулирования, т. е. функциональной связи управляющего воздействия с отклонением регулируемой температуры датчика, регуляторы делятся на позиционные й непрерыв1гые.

У позиционных регуляторов управляющее воздействие автоколебательное, регулятор при этом может принимать только дискретные устойчивые положения: например, при двухпозиционном регулировании два положения: одно, когда отклонение температуры датчика положительное, и другое, когда оно отрицательное по отношению к температуре термостатировання.

у непрерывных регуляторов управляющее воздействие формируется в виде некоторой функции от отклонения температуры датчика, а процесс регулирования характеризуется непрерывными законами: пропорциональным, пропорционально-интегральным илн пропорционально-интегрально-дифференциальным (123].

Наибольшее распространение в термостатнрующнх устройствах ТСКГ получили пропорциональные и двухпоэиционные регуляторы. Это объясняется тем, что термостатирующне устройства, как правило, являются объектами с большой постоянной времени, благодаря чему регуляторы указанного типа могут обеспечить необходимую точность термостатировання, В то же время, будучи относительно простыми по схемному решению, такие регуляторы являются наиболее дешевыми и надежными в эксплуатации.

Однако любой реальный регулятор обладает статической Д*,Р* и динамической Д/Р ошибками термостатировання. Из условий минимизации Д/ преимущество имеют пропорциональные регуляторы. Их применение в термостатированных генераторах ограничивают в тех случаях, когда требуется малое энергопотребление, так как КПД исполнительного устройства такого регулятора низок.

Двупознционные регуляторы позноляют обеспечить высокий КПД, но прн их работе возникает динамическая ошибка Д/д. Поэтому их применение ограничивают в тех случаях, когда постоянная времени датчика Тд = <д/(Jfд.c+ ""д-к) конструктивно не может быть сделана значительно меньшей по сравнению с постоянной времени объекта т,, = cJ{po,c + Oq.k)- В этих случаях при необходимости применяют двухиозиционные регуляторы с принудительной частотой переключений [168].

Остановимся более подробно на вопросе сопряжения регулятора с остальными частями термостатнрующего устройства. Основой для выбора терморегулятора является заданная точность термостатировання, Т. е. допустимая ошибка термостатировання At. Это позволяет определить допустимую статическую ошибку регулятора: Д<[,Р> == Д<д - Д,", где Д/*," определяется по (8.3) при подстановке в иее Д/с = tcmax ~ стгп- Есл" Д!** превышает заданное значение До*, то необходимо предусмотреть ее компенсацию.

Дальнейший порядок определения параметров регулятора зависит от выбранного закона его регулирования.

При пропорциональном законе регулирования ДР = - (1 + + А:р)Д/д1 где йр-коэффициент передачи регулятора; ДР - управляющее воздействие; Д/д - отклонение температуры датчика.

Требуемый коэффициент передачи регулятора fep может быть выражен [ПО] через-параметры тепловой модели и допустимую статическую ошибку регулятора Д/Р*;

<1<.с gp.K (Од.к + Рд.с)" (с max - tc mm) <1.кК.к + ао.с)Д"

(8.6)

После вычисления по (8.6) необходимо убедиться в возможности использования пропорционального регулятора прн данном значении /tp с точки зрения устойчивости его работы. Для этого сначала



необходимо вычислить тепловую проводимость между нагревателем И камерон:

где F„ - площадь поверхности, занимаемая нагревателем иа камере; 6,-, Xi - толщина и коэффициенты теплопроводности прослоек между нагревателем и камерой.

Затем следует оценить постоянные времени элементов тепловой модели термостата рис. 8.6: т„ = cjo.c, Тд = Сд/ (Од.с + Од.к); т„ = СнАа„.„. Применять пропорциональный регулятор можно только прн

дн.н(дл.«+дд.с) (т-»+т-)

йр <

"л.к

Прн невыполнении этого неравенства и невозможности нзмеиеиия параметров- тепловой модели необходимо применять двухпози-ционный регулятор.

Для расчета двухпозициоиного регулятора кроме допустимой ошибки термостатироваиня A/J, необходимо задаться значением гистерезиса Д/р регулирующего устройства по температуре и мощностью регулирующего воздействия Pp.

Прн этом принимают Д;. < 0,1 Д/д; Рр =(1,52) Р, где Р - мощность стационарного режима термостатирующего устройства при /с = cmiu-

Динамике двухпозициоиного регулирования посвящен ряд работ [52, 62, 71, 72, 78, 166]. Поскольку обычно выполняются иеравеи-сгва Од.к > Од.с, Оо.н > «"о.с.к > д, то для определения параметров процесса регулирования можно упростить известные выражения.

В процессе регулирования амплитуда колебаний температуры датчика

где Y~Ok.c(t -с)/.Рр.

\о„.с2я sinny Тк/

Динамическая ошибка термостатировакия Дд

Прн изменении температуры окружающей среды в процессе регулирования происходят смещения средних значений температуры датчика <д.ср и объекта р.ср. которые могут быть определены нз вы-

ражений /д.ср

= дт cos

"7 + t-i, о.CP = д.ср- Таким образом,

возникает статическая ошибка регулятора

д/Р) - /""п

о " о.ср о.ср»

•"Д о!ср " Сер " значения смещения средней температуръ! объекта, соответствующие максимальной и минимальной температурам среды.

Полная ошибка термостатироваиня прн использовании двухпозициоиного регулятора kt = Д/Р + Д/Р + A/J,". £слн Дэ > > Ао. то необходимо вводить тепловую компенсацию, обеспечн-

вающую минимизацию Д/,", а также, при необходимости, уменьшение гистерезиса Д/j- и мощности регулирующего воздействия Pp. Время установления температуры термостатируемого объекта мало зависит от типа регулятора:

CycT = Ci + Tj. (8.7)

где Ti - интервал времени с момента включения термостатирующего устройства до момента первого достижения датчиком заданной температуры термостатироваиня; Tj - интервал вре?меин с момента первого достижения датчиком заданной температуры термостатироваиня до момента установления темпер.атуры объекта термостатироваиня с заданной точностью.

Для расчета можно принять

Ti=:(/x-c)c„/Pmax, (8.8)

где Ртах - максимальная мощность в нагревателе иа интервале времени Ti.

На интервале времени Tj объект термостатироваиня прогревается вместе с камерой, но ие успевает достигнуть заданной температуры термостатироваиня. На интервале процесс установления температуры объекта продолжается, ио уже при значении температуры камеры, приблизительно равном заданной температуре термостатироваиня. Значение этого интервала [72]:

Ок.о + Оо.с Ок.о

Рк.о-ЬОо.е Ри.о + Оо.с Ок.д

(c-t)-(oi-t)

(8.9)

где 01 - температура объекта термостатироваиня в конце интервала времени Tj.

Таким образом, для уменьшения времени установления температуры объекта термостатироваиня необходимо стремиться к увеличению максимальной мощности подогрева Рта*. Для этого в термостатирующих устройствах на интервале времени Tj используют форсированный разогрев. Однако даже при Tj -> О предельное значение времени установления температуры будет определяться значением т, которое достигается прн скачкообразном изменении температуры камеры от температуры среды /с ДО заданной температуры термостатироваиня /-J-. Это значение определяется нз (8.9) при /ai = с

Тпред= ; X

Оо.с

Ок.о-ЬОо.с

Рд.с

Ои.о + Ор.с Ои.о-ЬОр.е <?к.л

l) {t,-tj)

(8.10)

Формулы (8.7), (8.8), (8.10) позволяют рассчитать время установления температуры объекта термостатироваиня с заданной точностью относительно установившегося значения.



Современные регуляторы температуры для малогабаритных тер* мостатирующих устройств в большинстве случаев выполняются на ба* зе операционных усилителей интегрального исполнения. При этом они высокоточные и работают как в пропорциональном, так и в двух позиционном режимах.

Наиболее часто используются схемы регуляторов температуры с усилением сигнала ошибки на постоянном токе.

На рнс. 8.7 приведена принципиальная схема пропорционального регулятора температуры. Датчик и задающее устройство регулятора представлены в риде термочувствительного моста на резисторах R1-R5.C подключением в состав моста терморезисторного датчика Rд. Диагональ моста подключена ко входу операционного усн-


°-n,ss

Рис. $.7. Схема пропорционального регулятора температуры

лнтеля YI, совмещающего в себе функции предварительного усилителя и регулирующего устройства. Коэффициент передачи регулирующего устройства определяется глубиной отрицательной обратной связи через резистор R6, а конденсаторы С1, С2 н СЗ обеспечивают необходимое качество процесса регулирования. Исполнительный усилитель регулятора выполнен на составном транзисторе Т1, Т2, согласование входа которого с выходом усилителя У1 по постоянному току обеспечивают резистор R7 и диод Д1.

Нагреватель включен в коллекторную цепь составного транзистора. Для повышения качества процесса регулирования введена отрицательная обратная связь с нагревате.чя на датчик через резистор RII., Резистор RiO обеспечивает режим насыщения составного тран-aijcTopa на интервале времени Tj. Несмотря на простату, приведен-н\лА регулятор обеспечивает разрешающую способность по отклопе-щк> температуры не более О.ООгС и статическую ошибку термостатировання в интервале температур от -50 °С до +65 °С не более rt:0,5 °С без термостатировання элементов в нем. Недостатком его является низкий КПД, вследствие работы исполнительного устройства в режиме класса А. Однако размещая выходной транзистор Т2 на камере термостата, можно устранить этот недостаток, если обеспечить хороший тепловой контакт коллектора транзистора Т2 с ка-

мерой термостатнрующего устройства. Особенно удобен такой регулятор при использовании его с позисторным нагревателем. Примером может служить резонатор-термостат 1168]. Для него не требуется дoпoлIIHтeльнoгo форсировапиого подогрева, так как в момент включения сопротивление позисторного нагревателя почти па порядок меньше значения его при температуре термостатировання 65- -75С. Кроме того, резонатор-термостат позволяет с высокой точностью обеспечить с помощью регулируемого резистора R3 настройку температуры термостатировання на экстремум частотно-температурной характеристики резоиатора-

Более высоким КПД обладает двухпознциоиный регулятор, схема которого приведена на рис. 8.8. Составной транзитор Т2ТЗ нс-


Рис. S.8. Схема двухпозициониого регулятора температуры

полнительного устройства работает в режиме класса Д. Этот режим обеспечивается операционным усилителем У1, работающим в качестве управляемого автоколебательного мультивибратора с переменной скважностью в зависимости от величины сигнала разбаланса термочувствительного моста R 1-R5 с подключаемым в него терморе-зисторным датчиком температуры Rд. Частота срабатываний 0,5- -1,5 Гц задается цепочкой положительной обратной связи R7, С2. Благодаря сравнительно высокой принудительной частоте срабатываний данный регулятор обладает динамической ошибкой не более ±0,01 °С даже для объектов термостатировання, у которых не выполняется условие Тд < То, как, например, у резонаторов-термостатов с отдельным термодатчиком. Статическая ошибка такого регулятора в интервале температур от -50 до +65 "С также не превышает ±0,5 °С без термостатировання элементов схемы.

Для уменьшения статической ошибки регулятора разделяют функции предварительного усилителя и регулирующего устройства между отдельными операционными усилителями. Схема такого устройства приведена на рис. 8.9. Сигнал разбаланса от термочувствительного моста R1-R5 с включенным в него терморезнсторным датчиком Rg сначала усиливается усилителем Y1, а затем используется для управления скважностью автоколебательного мультивибратора на усилителе Y2. Частота срабатываний регулятора в процессе регулирования при изменении температуры окружающей среды меняется от 1,5 до 6 Гц, понижаясь как с повышением, тлк н понижением





0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [18] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38

0.0037