Устройство для регулирования температуры

Согоз Советских Социалистических Республик(23) Г 1 риоритег -Государствеииый комитет СССР ио дедам изобретеиий и открытий(53) УДК 621. 555, б С,088.8) Дата опубликования описания 17,0231 72) Авторизобретения рровский йолитехнический институ(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУР прету яв ав ка 25 Изобретение относится к техникеизмерения и регулирования температуры.Известно аналоговое устройство регулирования температуры, состоящее изтермодатчнка, задающего блока, блокарегулирования, блока тиристоров. Температура объекта, управляемая такимустройством, определяется величинойэлектрического напряжения, снимаемого с задающего блока. Это напряжениесравнивается с термо-ЭДС датчикатемпературы, определяемой текущейтемпературой объекта, и при помощиблока регулирования и блока тиристоров, управляеъых разностью термоЭДС и напряжения с задающего устройства, к нагревателюобъекта подводится такая величина электрическоймощности, при которой величина термо-ЭДС становится равна напряжению 20с задающего устройства (1),Недостатком такого устройстваляется трудность использования втоматизированном производстве, так задающий блок является аналого"вым узлом, управление которым, например при помощи управляющей ЦЯИ,требует введения преобразователейкод-аналог и соответствующих согласующих блоков. Кроме того, аналоговым устройствам присуща ограниченная точность во времени из-эа старения элементов. Такие устройства чщевсего используют в виде цифровых устройствНаиболее близким к предлагаемому является электронный термостат с цифровым управлением, предназначенным для поддержания температуры объекта на заданном уровне, состоящий иэ датчика температуры блока преобразования значения температуры объектав цифровой код, включающий в себя образователь температуры в часто и цифровой счетчик, цифровое задающее устройство, цифровой,компаратор, блок изменения температуры объекта, где выход датчика температуры через блок преобразования значения температуры объекта соединен с первым входом цифрового компаратора, ко второму входу которого подключен выход цифрового задающего устройства, а выход цифрового компаратора подключен к входу блока изменения температуры объекта.Устройство работает следующим образом.Текущее значение температуры объекта измеряется датчиком температу3,0 .4,57,010,0 18,0 21,0 26,0 34,0 42,0 53,0 20,0 23,0 29,0 37,0 22,0 26,0 32,0 24,0 27,0 1000 1200 34,0 41,0 44,0 1400 15,0 1600 22,0 47,0 59,0 52,0 56,0 64,0 69,0 1800 2000 30,0 40,0 65,0 80,0 72,0 88,0 77 фО 83,0100,0 94,0 ры, сигнал с которого преобразуетсяблоком преобразования в цифровой коди подается на первый вход цифровогокомпаратора, где сравнивается с заданным значением температуры объекта, подаваемым на второй вход компаратора с задающего блока. С выходакомпаратора снимается разность входных цифровых сигналов, которая подается на вход блока изменения температуры объекта, который в зависимостиот знака разности увеличивает илиуменьшает температуру объекта 23,Недостатком данного устройства является уменьшение точности регули-. рования в процессе эксплуатации, определяющейся в основном стабильностью градуировочиой характеристики датчика, снятой до установки его на объект(Т ), Ю где Тр- значение температур градуировки.1 - значение сигнала с датчикапри соответствующем значении Тр Как видно из таблицы, погрешностьизмерения температуры термопарой,определяемая изменением градуироаочной характеристики от начальной, может иметь значительную величинпу.Например, при температуре 2000 Суже через 100 ч работы погрешностьсоставляет 40 фС.Цель изобретения - повышение точности регулирования в процессе эксплуатации устройства.,Поставленная цель достигаетсятем, что в известное устройство,содержащее последовательно соединенные задающий блок, цифровой компаратор и исполнительный элемент, а также последовательно соединенные датчик и цифровой преобразователь, введены таймер, первый запоминающий элемент, последовательно соединенныеэлемент задержки, блок усреднения,первый функциональный преобразователь, второй запоминающий элемент исумматор, а также последовательно В соответствии с этой характеристикойопределяется текущее измеряемое)значение температуры объекта.Градуировочные характеристикиреальных датчиков термосопротивлений,термопар и др.) меняются во временив зависимости от температур эксплуатации (нзмеряемчх температур) . Особенно эти отклонения велики при регулировании высокотемпературных объек О тов, например в технологии производства полупроводниковых элементов, гдепредъявляются высокие требования кточности регулирования, в частности,при производстве тонкопленочных элементов, где температура должна уста навливаться с точностью единиц процента. Но в процесса эксплуатации градуировочная характеристика датчикаможет изменяться на несколько процентов.3) В таблице представлено изменениеградуировочной характеристики от начальной для термопары типа ВР 5/20,широко применяющейся для работы ввысокотемпературных объектах в зави,симостн от времени эксплуатации итемператур, при которых они работ;1 ют. соединенные блок памяти, второй Функциональный преобразователь и третий 45 запоминающий элемент, выход которого подключен ко второму входу первого Функционального преобразователя, третий вход которого соединен с выходом блока памяти, а четвертый вход- Щ с выходом таймера, связанным со вторым входом блока усреднения и вторым входом второго функционального преобразователя, третий и четвертый входы которого подключены соответ ственно к выходу блока усредненияи выходу первого запоминающего элемента, входом связанного с выходом первого Функционального преобразова" теля, причем вход сумматора подклю" чен к выходу цифрового преобразова теля, а выход - ко входам циФровогокомпаратора, элемента задержки и блока усреднения. 1 На чертеже представлена блок-схема65 предлагаемого устройства.10 5 20 25 30 35 40 55 60 65 Устройство регулирования температуры содержит задающий блок 1, цифровой компаратор 2, исполнительныйэлемент 3, датчик 4, цифровой преобразователь 5, сумматор б, элемент 7задержки, блок 8 усреднения, первыйфункциональный преобразователь 9,первый запоминающий элемент 10, второй Функциональный преобразователь11, таймер 12, блок 13 памяти, второйи третий запоминающие элементы 14 и15.Устройство работает следующим образом.Текущее значение температуры объекта Т измеряется датчиком 4, преобразуется в цифровой код Т преобразователем 5 и подается на первый входсумматора б. Ввиду наличия погрешности из-за изменения градуировочнойхарактеристики от начальнойТ = Т 4 -дТ, (2)где Т; - истинное значение температуры объекта;4 Т 1 - текущая величина отклоненияградуировочной характеристи- .ки от начальной,На второй вход сумматора б подается поправкад Т дТ + аа (3)где о с(дТ - погрешность определенияЬТ, которая определяет- .ся точностью блоков 7-13На выходе сумматора б образуетсязначениеТ = Т; -дт;+дт +Ь:Т 1Е (4)С выхода сумматора б значение Тподается на компаратор 2, а на второйвход компаратора подается значениезаданной температуры объекта Т;.рдсблока 1. Компаратор 2 сравнивает этизначения и вырабатывает управляющеевоздействие Е на вход элемента 3, который в зависимости от величины изнака Е увеличивает или уменьшаеттемпературу объекта таким образом,чтобы величина Е была минимальной. Определение поправки дТ осущест-,ф 5вляется следующим образом. Таймер 12 вырабатывает значение отрезков времени АТ , которые подаются на входы блока 8 усреднения первого Функционального преобразователя 9 и второго функционального преобразователя 11. Значение измеренной температуры объекта Т( с выхода сумматора б подается на первый вход блока 8 усреднения, на второй вход которого подается Т 1 через схему задержки на дТ, значение измеренной температуры в предыдущий момент времени - Т д. На выходе блока 8 усред-, нения Формируется среднее значение температуры объекта Тс за промежуток времени дТ 1.тд (5)Это аначенне подается на аноде Функциональных преобразователей 9 и 11,куда также подается статическая характеристика для данного типа датчика из блока 13 памяти. дТ:Т(сТ), (6)где ЬТ - отклонение градуировочнойхарактеристики датчика отначальной;время работы датчика от начала установкиТ - температура, при которойработает датчик.Эта характеристика может быть получена интерполяцией табличных значений, определяемых при испытании серии датчиков данного типа, напримертермопар, термосопротивлений,функциональный преобразователь 9определяет величину отклонения градуировочной характеристнкидТ 1 запромежуток дс по формуле (б)дт =Г (с; Тср; ) . (7)где с - относительное время старения.(износа) датчика, определяемое функциональным преобразователем 11 и хранящееся вэлементе 14 как во время работы устройства (датчика),так и при временном отключении устройства,С выхода Функциойального преобразователя 9 дТ 1 подается в первыйзапоминающий элемент 10, где задерживается на величину Ьс . Суммирование дТ с целью определения суммарного отклонения градуи.зовочной характеристики от начальной происходитпо ФормуледТобщ = Е ЬТ 1(8)1 е 1С выхода элемента 14 д Тов подаетсЯна второй вход сумматора б, а в случае отключения устройства (датчика)хранится в нем, а также подается на,второй вход элемента 10. С выходаэлемента 10 значение поправКи в предыдущий момент времени подается навход Функционального преобразователя 11, который определяет относительное время старения (износа) датчика.Это время определяется исходя из положения теории надежности, на основании которой износ элемента в данныймомент времени зависит от величиныотработанного ресурса в прошлом .ине зависит от того, как был выработан этот ресурс.функциональный преобразователь 11реализует обратиув Функцию от Формулы(7) по значениям дт;т, и Тср,;с; -Г(дт, Т,.;) (9)Э:о значение йодается на выходы преобразователя 1 через элемент 15 навход функционального преобразователя 9.При временном отключении устройства регулирования температуры и объекта в элементах 15,10 и 14 сохраняютсязначения с 1 ,Ы и дТоьщ по которым805274 Формула изобретения аказ 10902/70 Подписное НИИПИ Тираж автоматически восстанавливаются определенные поправки аТ+ при после"дующем пуске устройства.Реализация данного устройства позволяет увеличить точность поддержания заданных температур объекта эасчет значительного уменьшения сиаибкиизмерения, обусловленной изменениемградуировочной характеристики датчикаот начальной. Это важно особенно вусловиях проьыаленного производства,так как позволяет более точно выдер фжать параметры заданного технологического процесса, что, в свою очередь, повыаает качество продукции,снижает процент брака. Отклонение отзаданного технологического процесса, 15обусловленное измененчем градуировочной характеристики датчика от начальной, которое может составлять несколько процентов, в некоторых отраслях производства оказывает значительщное влияние. Например, при производстве тонкопленочных элементов методом.осаждения из гаэофазной средыотклонение температур испарителей наО, 5-1 вызывает отклонение скорости оса-ждения на 10, а следовательно, отклонениЯполучаемых. пленок по толщине такжесоставляет 10,что,в свою очередь, значительно изменяет параметры получаеиюх элементов,Дополнительные затраты.на реалиэа- ЗОцию предлагаемого устройства по сравнению с известным незначительны, таккак все функции выполняются в цифровой форме и их можно реализовать надешевых интегральных схемах и микропроцессорах малого быстродействия. Устройство для регулирования температуры, содержащее последовательно 4(1 соединенные задающий блок, цифровой компаратор и исполнительный элемент,а также последовательно соединенныедатчик и цифровой преобразователь,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,с целью повьааения точности регулирования при долговременной эксплуатации устройства, оно содержит таймер,первый запоминающий элемент, последовательно соединенные элемент задержки, блок усреднения, первый Функциональный преобразователь, второйзапоминающий элемент и сумматор, атакже последовательно соединенныеблок памяти, второй функциональныйпреобразователь и третий запоминающий элемент, выход которого подключен ко второму входу первого функционального преобразователя, третийвход которого соединен с выходом блока памяти, а четвертый вход - с выходом таймера, связанным со вторымвходом блока усреднения и вторымвходом второго Функционального преобразователя, третий и четвертыйвходы которого подключены, соответственно, к выходу блока усредненияи выходу первого запоминающего элемента, входом связанного с выходомпервого функционального преобразователя, причем вход сумматора подключенк выходу цифрового преобразователя,а выход - ко входам цифрового компаратора, элемента задержки и блокаусреднения.Источники информации,.ринятые ыо внимание при экспертизе1. Васильев Я.В. и др. Применениефо"огальванических усилителей дляиэодромного регулирования температуры,-"Приборы и системы управления",1971 с 9 б с. 19.2. Патент США Р 3942718,кл. 6 05 Ь 23/24, опублик. 1974