Устройство для регулирования температуры

.8)детельс5 023/ о СССфСССР198 ельство 0 23/ 54) УС ЕМПЕРА 57) Из РОИСТВО ДЛЯ РГУР 1бретение можетэлектронной и УЛИРОВАНИ быть исполь омышленнос- ашинострое- повышение вано ростроении и изобретения устройства заи, при ии. Це точнос чет решен/ ГОСУДАРСТВЕННЫИ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ САНИЕ ИЗ(21) 403731 О/24- (22) 17. 03.86 (46) 15. 06,88, Б (72) В. В.Дорофее (53) 621. 555. 6 (О (56) Авторское с Р 794619, кл. САвторское сви88100,. кл. С вопроса фазоимпульсного регулирования на базе цифровой техники с высокой дискретностью управления электрической мощностью. Устройство содержит датчик 1 и цифровой задатчик 6температуры. ЦАП 5, согласующий усилитель 2 и усилитель 3 с переменнымкоэффициентом усиления, сумматор 4,усилитель ошибки сигнала 10, цифровой компаратор 12 с установкой зонынечувствительности, генератор импульсов 18, двоичный реверсивныйсчетчик 8, блоки управления 7 и коррекции мошности 4. Устройство 9 отображения информации, элемент И 15,исполнительный элемент 16 и нагреватель 17. 2 з.п. Ф-лы, 5 ил.Изобретение относится к устройствам управления технологическимипроцессами, в.частности к устройствамрегулирования и стабилизации температуры технологических процессов,и может быть использовано в электронной промышленности, приборостроениии машиностроении, например в вакуумных установках с радиационными нагревателями, выполненными в виде галогенных ламп накаливания.Целью изобретения является повышение точности предлагаемого устрой"ства. .15На Фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема устройствадля регулирования температуры; нафиг. 2 " электрическая схема блокауправления мощностью; на Фиг. 3электрическая схема устройства коррекции мощности; на фиг, 4 - осциллограммы импульсов синхронизации(Т), импульсов первой (Т 1) и второй (Т 2) тактовых последовательностей, ступенчато уменьшающегося напряжения на втором входе компарато"ра блока регулирования мощностью (ц )и напряжения на выводах нагревательного элемента; на Фиг. 5 - осциллограммы ступенчато уменьшающегося на"пряжения П и напряжения на выводах на-,гревательного элемента в режиме стабилизации температуры.Устройство для регулирования тем 35пературы содержит датчик 1 температуры, который соединен через согласующий усилитель 2 и усилитель 3 спеременным коэффициентом усиления спервым входом сумматора 4, Второйвход сумматора 4 соединен с входомцифроаналогового преобразователя(ЦАП) 5, входы которого соединеныс соответствующими выходами цифрового задатчика 6 температуры. Выходсумматора 4 соединен с аналоговымвходом блока 7 управления мощностью,Входы установки мощности блока 6 управления мощностью соединены с выходами. двоичного реверсивного счетчика 8, входы записи которого соеди 50иены с соответствующими выходами цифрового задатчика 6 температуры,Информационные выходы блока 7управления мощностью соединены с входами устройства 9 отображения инфор 55мации. Устройство 9 отображения информации соединено с цифровым задат"чиком 6 температуры. Кроме того, выход сумматора 4 через усилитель 10 сигнала ошибки соединен с входом аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 11, выходы которого соединены с первыми входами цифрового компаратора 12. На вторые входы цифрового компаратора 12 от задатчика 13 подан код, соответствующий нулевому значению напряжения на выходе сумматора 4.Выходы "Меньше", "Равно" и "Боль" ше" цифрового компаратора 2 соединены с соответствующими входами блока 14 коррекции мощности. Первый и второй выходы блока 14 коррекции мощности соединены с суммирующим и вычитающим счетными входами промежуточного регистра-задатчика мощности двоичного реверсивного счетчика 8. Третий выход блока 14 коррекции мощности соединен с первым входом эле" мента И 15, второй вход которого соединен с управляющим выходом блока 7 регулирования мощности, а выход элемента И 15 соединен с входом исполнительного элемента 16, включенного в цепь питания нагревательного элемента 17. Генератор 18 тактовых импульсов вырабатывает три последовательности тактовых импульсов: импульсы синхронизации Т , импульсы первой тактовой последовательности Т 1, импульсы второй тактовой последовательности Т 2 и соединен с соответствующими входами блока 7 управления, ЦАП 11 и устройства 14 коррекции мощности режима стабилизации. Входы предварительной установки (С) двоичного реверсивного счетчика 8 и блока 14 коррекции мощности соединены с выходом предварительной установки (С) цифрового задатчика 6 температуры.Блок управления мощностью содержит компаратор 19, первый вход которого является аналоговым входом блока управления мощностью. Второй вход компаратора 19 соединен с выходом цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 20, входы которого соединены с информационными выходами двоичного вычитающего счетчика 21. Информационные выходы двоичного вычитающего счетчика 21 соединены с информационными входами буферного регистра 22, выходы которого являются информационными выходами блока управления моФ; ностью. Выход переноса двоичного14030счетчика соединен с первым входом элемента И 23. Второй вход элемента И 23 соединен через инвертор 24 с выходом компаратора 1 9, третий - с5 выходом тактовой частоты первой тактовой последовательности генератора 18 импульсов, четвертый - с первым входом элемента И 25, входом элемента 26 задержки и выходом импульсов синхронизации генератора 18. Выход элемента И 23 соединен с вычитающим входом двоичного счетчика 21, а выход элемента 26 задержки - с входом записи (синхронизации) двоичного. счетчика. Информационные входы двоичного счетчика 21 являются информационными входами блока управления мощностью. Второй вход элемента И 25 соединен с выходом второй тактовой 20 последовательности генератора 18. Выход элемента И 25 соединен с выходом записи буферного регистра 22Устройство коррекции мощности режима стабилизации температуры состо ит из элемента И 27, первый вход которого соединен с выходом "Равно" цифрового компаратора 12, второй - с выходом импульсов синхронизации генератора 8 и первыми входами элементов И 28 и 29, а третий - с выходом предварительной установки цифрового задатчика б температуры и иннертором 30. Выход элемента И соединен с входом единицы триггера 31 и установки нуля триггеров 32 и 33, а вы 35 ход инвертора 30 - с входом установки нуля триггера 31, Выход триггера 31 соединен с вторыми входами элементов И 28 и 29. Третьи входы элементов И 28 и 29 соединены соответственно с выходами "Меньше" и "Больше" цифрового компаратора 12, а выходы - с выходами одновибраторов .34 и 35, выходы которых соединены с выходами установки единицы триггеров 32 и 33. Инверсные выходы этих триггеров соединены с четвертыми входами элементов И 28 и 29,Устройство работает следующим образом.После включения устройства с помощью клавиатуры цифрового задатчика 6 температуры задают требуемую температуру. На выходе ЦАП 5 устанавлИвается напряжение, эквивалентное заданной температуре. На экране блока 9 отображается информация о задан" ном значении температуры нагрева из 254делия. Одновременно информация о мощности нагрева при заданной температуре поступает на вход двоичного реверсивного счетчика 8.Операции подготовки устройства к работе завершены, и оператор включает нагрев изделия, На выходе С цифрового задатчика 6 температуры появляется импульс, который записывает информацию о мощности режима стабилизации в счетчике 8 и устанавливает устройство 14.коррекции мощности и режим нагрева, при этом импульс на входе С устройства 14 коррекции мощности воздействует через инвертор 30 на вход К триггера 31, устанавливает его в нулевое состояние, и нулевой сигнал на вторых входах элементов И 28 и 29 блокирует прохождение через них импульсов., Одновременно по сигналу включения нагрева начинает работать генератор 18 импульсов, который синхронизиронан напряжением, питающим нагревательный элемент 17. Генератор вырабатывает 1 ри последовательности тактовых импульсов: импульсы сннхро" низации Тдлительностью которые формируются генератором при прохождении питающего нагреватель 7 напряжения через ноль; импульсы второй тактовой последовательности Т и импульсы второй тактовой последовательности Т 2. Импульсы Т 1 действуют между импульсами синхронизации Ти число их равно числу ступеней уменьшающегося ступенчатого напряжения, т.е. максимальной емкости счетчика 21 блока управления мощностью, Частота импульсов Т 2 равна частоте питающего нагревательный эле-. мент 17 напряжения, а длительность импульса - полупериоду этого напряжения.Сигнал от датчика 1 температуры, 1усиленный согласующим усилителем 2 и усилителем 3, поступает на первый вход сумматора 4. На второй вход сумматора 4 поступает сигнал от ЦАП 5. Разностный сигнал сумматора 4 П 1=1 -1 поступает на первый вход компаратора 19 блока 7 управления мощностью. Под действием импульса синхронизации Тв счетчик 21 иэ счетчика 8 записывается число, соответствующее коду мощности нагрева, и по окончании действия импульса синхронизации на вход вычитания счетчи25 6На второй вход компаратора 19 поступает от ЦАП 20 ступенчато уменьшающееся напряжение, закон изменения которого можно выразить формулой 0 г 1 = Ь П И где Ь Ю - приращение выходного напряжения ЦАП при изменении входного кода на единицу; Ы; - число импульсов, записанных в счетчик 21 с начала преобразования; 11 г, - текущее значение напряжения на выходе 19 П 20. При равенстве Ц, = Уг; компаратор переключается в единичное состояние и блокирует элемент И 23, счетчик 21 останавливается и на его выходе записывается число тактовых импульсов Т 1, прошедших с начала преобразования до остановки счетчика. Таким образом, включение тиристоров исполнительного элемента произойдет с задержкой по отношению к началу полупериода, равной: 14030 л лл Т ск сыскЯ + с2,. Т- с сх, Уа; цза с.с.=- - -(д+- --- ) +, с,ц Ьц 2 1 где с, - время задержки включениятиристоров исполнительногоэлемента 16;Б - емкость счетчика 21;Т - длительность полупериода35сетевого напряжения;ло - длительность импульса синхронизации;- текущее значение сигналадатчика,и на нагрузке выделяется мощностьР,р,: - -е 1 пд 1 ц) Цд 1,г(, 3)ЮьЦ У 3 50где Р; ка 21 начинают поступать импульсы .первой тактовой последовательностиТ 1, На выходе ЦАП появляется уменьшающееся ступенчатое напряжение максимальное значение которого равно:Ц611 Н. Это напряжение, поступаг максет на второй вход компаратора 19При 0,=юг выход компаратора 19 устанавливается в единичное состояние.Единичное состояние выхода компаратора через инвертор 2 ц блокируетэлемент И 23 и через него не проходят импульсы Т 1, В данном положениисчетчик 21 работает как промежуточный регис.тр, передающий данные омощности режима стабилизации навход ЦАП 20 и на выходе ЦАП устанавливается напряжение 11 г , Логическая единица с выхода компаратора 19поступает на вход элемента И 15 навтором входе которого присутствуетлогическая единица, поступающая стретьего выхода () блока 14 коррекции мощности и устанавливает выход этого элемента в состояние логической единицы, Высокий логическийуровень на выходе элемента И 15 открывает тиристорный ключ 16 и черезнагрузку 17 начинает протекать ток,Так как на выходе элемента И 15 постоянно присутствует высокий логический уровень, то тиристорный ключисполнительный элемент 16 - открыт втечение всего полупериода, на нагруз- .ке 17 выделяется мощность, определяеЮссмая выражением Р = -"- где 11ксрсреднее эффективное значение синусоидального напряжения, В данном случае не учитывается задержка включения тиристорного ключа в начале каждого полупериода питающего напрякения, которая зависит от конструктив"ных особенностей тиристоров, Такимобразом, при ЦЦ нагрев изделияидет с максимальной скоростью и нанагревательный элемент 17 подаетсямаксимальная мощность,Как только начинает выполнятьсяусловие Ц, й Цг, в работу включается блок 7 управления мощностью ина нагревательный элемент 17 подаетсямощность; пропорциональная Ц, =13 -Ци меньше, чем Р, , Блок 7 управ мако 55ления мощностью в режиме нагрева работает следующим образом: Найряжение О,Ц =У "И поступает с выхода суммаИтора й на первый вход компаратора 19. текущее значение мощности, выделяемой на нагревательном элемента;угол задержки включения тиристоров исполнительного элемента;амплитудное значение пита" юшего нагревательный эле" мент напряжения;начинает расти и на выходе "цифрового компаратора 12 появится высокий логический уровень. Высокий логический уровень устанавливается на5третьем входе логического элементаИ 29 и через него проходят импульсы синхронизации, Первый же импульс, прошедший через элемент И 29, запускает одновибратор 35. Выходной импульсодновибратора 35 переключает триггер 33 р единичное состояние, низкий уровень инверсного выхода которого блокирует элемент 29, запрещая прохождение через него импульсов синхронизации. Выходной импульс одновибратора 35 поступает на вход "1" счетчика 8, увеличивая его содержимое на единицу, Содержимое счетчика 8 передается на входы блока 7 управления 20 мощностью, и он настраивается на работу с меньшей мощностью режима стабилизации (кривая Б). Кроме того, одновременно с появлением на входе ".ъ" высокого логического уровня на выходе блока 14 коррекции мощности устанавливается низкий логический уровеньНизкий логический уровень передается на второй вход логического элемента И 15 и блокирует его. На выходе этого элемента устанавливается низкий логический уровень и тиристорный ключ 6 отключает питание нагревательного элемента 17. Начинается процесс охлаждения объекта регулирования, Этот процесс продолжается до35 тех пор, пока объект регулирования не остынет до заданной температурыи Т = Т . В этот момент на выходе т Яблока 4 вновь установится высокий40 логический уровень и управляющие импульсы от блока 7 снова начнут проходить через элемент И 15 и на нагревательный элемент 17 будет подаваться питание. При этом через элемент И 27 пройдет импульс синхронизации,45 который вновь установит триггер 33 в нулевое состояние, и блок корррекции мощности готов к новому циклу регулирования. Устройство начинает работать с новой заданной мощностью 50 режима стабилизации температуры. Придэтом если Я - = 1 Р, процесс изФ посменения мощности заканчивается, а если условие эпос - = 1 Р не выпол 55даняется и Я - ( АР , процесс измепоснения мощности продолжается до тех пор, пока не будет выполнено условиепасР, и температура объектапас грегулирования стабилизируется. Еслипоо с АР;, температура объекта репоогулирования начинает падать, При этомна. выходе (цифрового компаратора12 установится высокий логическийуровень, который будет передан навход устройства 14 коррекции мощности и через элемент И 28 начнутпроходить импульсы синхронизации ТсхПервый же импульс синхронизации,прошедший через элемент И 28, запускает одновибратор 34, который уста 1навливает триггер 32 в единичное состояние, прохождение импульсов черезэлемент И 28 прекращается. Этот жеимпульс с выхода одновибратора 34поступает на вход "-1" счетчика 8,уменьшая его содержимое на единицу.Измененный код мощности режима стабилизации температуры с выхода счет"чика 8 передается на входы блока 7управления мощностью, и устройствоначинает работать с новой, большейпо сравнению с предыдущей, мощностью режима стабилизации температуры(кривая В),При изменении заданной температурыв сторону увеличения терморегуляторработает так следующим образом,Шине адресов ШАОША 4 требуется информация, согласно которойпереключается ЦАП - задатчик 5 температуры, и табло блока 9 отображенияинформации. По шине данных ШД 1ШДИ передается код мощности режимастабилизации при новой заданной температуре. Одновременно по шине С передается отрицательный импульс записи информации. Этот импульс записывает новую информацию в счетчик 8 ичерез инвертор 30 устанавливает триггер 31 устройства 14 в нулевое состояние. Нри этом элемент И 2 блокируется по третьему входу и прохождениеимпульсов через чего запрещается.Это сделано для исключения неопределенного состояния на входе триггера 31 и предотвращения сбоев в работерегулятора. После перехода триггера31 в нулевое состояние блок 14 коррекции мощности отключается и устройство начинает вновь работать в1режиме нагрева до тех пор, пока навыходе ":" компаратора 12 не появит 1403025ся высокий логический уровень и устройство не перейдет в режим стабилизации температуры,При изменении заданной темпера 5туры в сторону уменьшения устройствоработает следующим образом.С подачей команды на изменениетемпературного режима, как и в предыдущем случае, передается соответствурющая информация, переводящая ЦАП 5,блок 9 отображения информации и счетчик 8 в новый режим работы и блок 14переключается в режим нагрева,Устройство начинает работать вновом режиме и на выходе цифрового компаратора 12 устанавливаетсявысокий логический уровень. Пройдячерез инвертор 36 и блок 14 коррекции мощности этот сигнал заблокирует 2 Оэлемент И 15 и запретит прохождениеуправляющих импульсов ою блока 7управления мощностью к тиристорномуключу 16, при этом нагревательныйэлемент 17 обесточится. 25Обьект регулирования начнет остывать и температура его начнет приб"лижаться к заданной. Как только Т == Т, на входе "ъ" цифрового компаратора 12 установится низкий логичес" ЗОкий уровень и через элемент И 15 будет разрешено прохождение управляю-щих импульсов от блока 7 управлениямощностью к тиристорному ключу 16.На выходе ":" цифрового компаратора12 установится высокий логическийуровень, который переключит блок 14коррекции мощности в следящий режим,Таким образом, устройство начнетработать в режиме стабилизации температуры при новом заданном температурном режиме. Формула изобретения451. Устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно соединенные датчик температуры, промежуточный усилитель, усилитель с переменным коэффициентом усиления, сумматор, усилитель сигнала ошибки регулирования, аналого-цифровой преобразователь, цифровой компаратор, к второму входу которого под" ключен задатчик нуля сигнала ошибки регулирования, а также цифровой задатчик температуры, соединенный поразрядно с входами цифроаналогового преобразователя и информационным выходом соединенный с управляющим входом усилителя с переменным коэффициентом усиления, выход цифроаналогового преобразователя соединен с вторым входом сумматора, двоичный реверсивный счетчик, генератор импульсов, блок отображения информа" ции, исполнительный элемент, соединенный с нагревателем, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в него введены блоки управления мощностью и коррекции мощности и элемент И, причем входы записи двоичного реверсивного счетчика соединены с соответ" ствующими выходами цифрового задатчика температуры, а выходы - с входами предварительного задания кода мощности блока управления мощностью, вход ввода аналогового сигнала блока управления мощностью соединен с выходом сумматора, входы вводов импуль" сов синхронизации и первой и второй тактовых последовательностей блока управления мощностью, а также аналого-цифрового Преобразователя соединены с соответствующими выходами ге" нератора импульсов, информационные выходы блока управления мощностью соединены с соответствующими входами блока отображения информации, управляющий выход блока управления мощностью соединен с первым входом элемента И, выходы цифрового компаратора "Больше", "Равно", "Меньше" соединены с соответствующими входами блока коррекции мощности, первый и второй выходы которого соединены с суммирующим и вычитающим счетными входами двоичного реверсивного счетчика, а третий выход - инверсно с вторым входом элемента И, вход ввода импуль" сов синхронизации блока коррекции мощности соединен с соответствующим выходом генератора импульсов, установочные входы реверсивного счетчика и блока коррекции мощности соединены инверсно с соответствующим выходом цифрового задатчика температуры, выход элемента И соединен с входом исполнительного элемента.2. Устройство по п, 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем, что блок управ; ления мощностью содержит компаратор, цифроаналоговый преобразователь, двоичный вычитающий счетчик, буферный регистр, первый и второй элементы И, элемент задержки и инвертор, приэтом вход ввода аналогового сигнала блока управления мощностью соединен с первым входом компаратора выход которого является управляющим выхо" дом блока управления мощностью, и через инвертор с первым входом первого элемента И, а второй вход компа" ратора соединен с выходом цифроаналогового преобразователя, входы которого соединены с информационными выходами двоичного вычитающего счетчика и входами данных буферного регистра, выход переноса двоичного счетчика соединен с вторым входом первого элемента И, третий вход которого является входом ввода импульсов первой тактовой последовательности, а четвертый вход - входом ввода импульсов синхронизации блока управления мощностью и соединен через элемент задержки с входом записи двоичного выитающего счетчика.и первым входом ,второго элемента И, второй вход которого является входом ввода второй тактовой последовательности блока управления мощностью, а выходы первого и второго элементов И соединены соответственно с вычитающим входомдвоичного вычитающего счетчика и вхо" дом записи буферного регистра, при этом входы шины данных блока управления мощностью соединены с входами данных двоичного вычитающего счетчика, а выходы буферного регистра являются информационными выходами блока .управления мощностью. 3. Устройство по п, 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок кор"рекции мощности содержит первый,второй и третий элементы И, первый,второй и третий КБ-триггеры первыйи второй одновибраторы и первый ивторой инверторы, причем первый входпервого элемента И является входом; "Равно" блока коррекции мощности,второй - входом ввода импульсов синхронизации блока коррекции мощностии соединен с первыми входами второгои третьего элементов И, а третийвходом установки блока коррекции мощности и соединен с первым инвертором, 15 выход первого элемента И соединен сустановочным входом первого КБ-триггера и входами "Сброс" второго и третьего В.Б"триггеров выход инверторасоединен с входом "Сброс" первого 2 О КЯ-триггера выход первого КЯ-триггера соединен с вторыми входами второгои третьего элементов И, третьи входы которых соединены соответственнос выходами "Меньше" и "Больше" циф рового компаратора, выходы второго итретьего элементов И соединены соответственно с входами первого и второго одновибраторов, выходы которыхсоединены соответственно с установоч ными входами второго и третьего КБтриггеров, инверсные выходы которыхсоединены соответственно с четвертыми входами второго и третьего элементов И, выход первого одновибратораявляется первым, второго - вторымвыходами блока коррекции 1 мощности,выход "Больше" цифрового компараторасоединен также с вторым инвертором,выход которого является третьим выходом блока коррекции мощности.