Устройство для регулирования температуры в камере высокого давления

1008712. Устройство по и. 1, о т л и " ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности регулирования температуры при изменении КПД камеры высокого давления, в него введены последовательно соединенные делитель и квадратор, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора, а также две электрические цепи из последовательно сбединенных 2выйрямителя и фильтра, причем входвыпрямителя первой цепи подключен квыходу измерительного трансформаторатока, вход выпрямителя второй цепик выходу измерительного трансформатора напряжения регулятора электрической мощности, входы делителя подключены к выходам фильтров, а выход соединен с.:третьим суммирующим входомсумматора.Изобретение относится к автоматическому регулированию нагрева объек"тов при отсутствии информации о регу"лируемой температуре путем регулирования электрической мощности, подводи.мой к объекту, и может быть использовано для регулирования температурныхрежимов установок для производствасверхтвердых материалов, изделий порошковой металлургии и др.10,Известны регуляторы нагрева в камере высокого давления (КВД), со"стоящие из регулятора электрическоймощности, нагрузкой которого является КВД. Регулирование температурыв камере высокого давления осуществ"ляется за счет поддержания с требуемой точностью электрической мощнос"ти, поступающей в КВД в соответствии с экспериментально определенной 29функциональной зависимостью 8 =Р), где 6 - температура в камере;Р - подводимая электрическая мощность 1.Недостатком этих регуляторов нагрева является низкая точность регулирования температуры из-за влияниявнешних и внутренних факторов науказанную функциональную зависимость,Наиболее близким по технической эосущности к предлагаемому являетсярегулятор температуры в КВД, содержащий последовательно соединенныезадатчик, регулятор электрическоймощности и КВД 2 1,15КВД,".помещенная в прессовую установку, представляет собой нелинейный объект с распределенными параметрами, время установления статического режима в котором состав где 3 ток, протекающий через камеру;электрическое сопротивлениетела КВД совместно с подводящими проводами;электрическое сопротивлениенагревателя внутри камеры,Т ляет 2-3 ч, что в большинстве случаев превосходит длительность технологических процессов. Температура в камере за это время может измениться на сотню и более граДусов и зависит от степени прогрева масс КВД и прессовой установки, температуры окружающей среды, температуры охлаждающей установки жидкости, технического состояния КВД, точности регулирования подводимой электрической мощности, длительности технологического процесса и др.На точность поддержания температуры в КВД влияет также изменение КПД КВД, связанное с изменением электрического сопротивления обрабатываемого материала и нагревателей в процессе технологических измерений, происходящих под действием высокого давления и высокой температу-, ры, Изменения КПД КВД связаны с тем, что из-за конструктивных особенностей камеры регулируют мощность поступающую в КВД, а не выделяемую внутри камеры, вследствие чего регулируемая мощность распределяется в теле КВД и в нагреваемом материале внутри камеры согласно величинам их сопротивлений10087124 3 КПД камеры равен н 1 т т 11) э к+к,)где В - общее электрическое сопротивление КВД.Изменение В 11 в процессе обработкиприводит к изменению соотношения 10В 1/В 1 (значение Вт практически не изменяется в каждом конкретном цикле,а зависит от технического состояниякамеры); В конечном итоге количествотепла, выделяемое внутри КВД изменя 1 15ется, что приводит к изменению температуры независимо от точности поддержания мощности. Это явление приводитк тому, что при значительных изменениях В, например при синтезе ал 20мазов, отказываются от регулированиямощности и переключают регулятор срегулирования мощности на регулирование напряжения.Цель изобретения - повышение точ 25ности устройства для регулированиятемпературы в КВД,Поставленная цель достигается тем,что в устройство для регулированиятемпературы в камере высокого давления, содержащее включающий в себя иззомерительные трансформаторы тока инапряжения регулятор электрическоймощности, вход которого подключен кпитающей сети, а выход соединен сКВД, задатчик электрической мощности,соединенный с первым суммирующим входом сумматора, выход которого подключен к управляющему входу регулято-.ра электрической мощности, дополнительно введены последовательно соединеные датчик температуры металлического тела камеры высокого давления и усилитель с перестраеваемымкоэффициентом усиления, выход котодюго подключен к вычитающему входу сумматора, а управляющий вход - к выходузадатчика электрической мощности,причем в устройство для регулирования температуры в КВД дополнительновведены последовательно соединенныеделитель и квадратор выход которогоподключен к второму суммирующему входу сумматора, а также две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителя и фильтра, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока, вход. выпрямителя второй цепи - к выходу измерйтельного трансформатора напряжения регулятора электрической мощности, входы делителя подключечы к выходамфильтров, а выход соединен .с. третьим суммирующим входом сумматора.На фиг, 1 представлена фунциональная схема устройства для регулирования температуры в КВД; на фиг. 2 - . то же, регулятор электрической мощности; на фиг. 3 - то же, устройство для регулирования температуры в ка мере высокого давления при изменениях электрической нагрузки; на фиг.4" то же, упрощенное устройство для регулирования температуры при измене" ниях величины электрической нагруз" ки; на фиг. 5 - принципиальная схема управляемого делителя усилителя с перестраиваемым коэффициентом усиления.Устройство для регулирования тем" пературы в камере высокого давления (фиг. 1), которая состоит из матриц 1, между которыми помещается обрабатываемый материал 2, и помещена в прессовую установку 3, содержит регулятор 4 электрической мощности,вход которого подключен к питающейсети 5, а выход соединен с камерой высокого давления, задатчик 6 электрической мощности, соединенный с пер"вым суммируюцим входом сумматора 7,выход которого подключен к управляю"цему входу 8 регулятора электрической мощности, последовательно соединенные датчик 9 температуры металлического тела КВД и усилитель 10 с пе" рестраиваемым коэффициентом усиления, состоящий из последовательно соединенных измерительного усилителя 11 и уп" равляемого делителя 12, выход кото" рого подключен к вычитающему входу сумматора 7, а управляющий входк выходу задатчика 6.Регулятор электрической мощности (фиг. 2) содержит силовой трансформатор 13, первичная обмотка которого соединена через тиристорный исполнительный орган 14 с питающей сетью 5, а вторичная обмотка подключена к ка" мере высокого давления, Датчик игновенной мощности 15, подключенныи посредством измерительных трансформа" торов тока 16 и напряжения 17 к вто" ричной обмотке силового трансформа" тора, два параллельно включенных ин тегратора 18 и 19, вхдды которых соединены с выходом датчика мгновенной10087 мощности, последовательно соединенные компаратор 20 и блок 21 выключения тиристорного исполнительного органа, силовые входы которого подключены параллельно исполнительному органу 14 и первичной обмотке силовоготрансформатора 13, счетный триггер 22,вход которого соединен с выходом компаратора., а выходы подключены к управляющим входам интеграторов, второй вход 8 компаратора 20 подклюцен к выходу сумматора 7.Устройство для регулирования температуры в КВД (Фиг. 3) дополнительно содержит последовательно соединенныеделитель 23 и квадратор 24, выходкоторого подключен к второму суммирующему входу сумматора 7, а такиедве электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителей 25 и 26 и Фильтров 27 и 28, прицем входвьпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока 16, вход выпрямителя второй цепи - к выходу измерительного трансФ форматора напряжения 17, входы делителя 23 подключены к выходам фильтров, а выход соединен с третьим суммирующим входом сумматора 7.Упрощенное устройство для регулирования температуры в КВД (Фиг. 4) дополнительно содержит последовательно соединенные второй сумматор 29 иусилитель 30, выход которого подключен к второму суммирующему входу сумматора 7, а также две электрические цепи из последовательно соединенных выпрямителей 25 и 26 и Фильтров 27 и 28, причем вход выпрямителя первой цепи подключен к выходу измерительного трансформатора тока 16, вход выпрямителя второй цепи - к выходу измерительного трансформатора напряжения 17, входы второго сумматора 29 подключены к выходам Фильтров,Усилители 11 и 30, сумматоры 7 и 29, интеграторы 18 и 19 и компаратор 20 выполнены на базе операционных усилителей. Делительное устройство23 и квадратор 24 могут быть выполЯ .нены на основе умножительно-делительных схем импульсного типа с сочетанием одноимпульсной и амплитудно- . импульсной модуляции входных сигналов или на основе аналоговых множиг Я тельно-делительных схем повышеннои точности. Управляемый делитель 12 (фиг. 5) содержит резисторы 31-35, полевые транзиторы 36 и 37 опера 12еционный усилитель 38. Коэффициент передачи этого делителя определяют, используя выражениеР34. упр1 й РСЖ) зс 4 пгде К(Э 2)и К(4) - значения резисторов32 и 34Ооп - максимальное значе 0 ние сигнала управления при которомполевой транзистор36 полностью запирается;% О - сигнал управления,сформированный изсигнала задания 0и напряжения смещения, которое подби-6 рают таким образом,чтобы обеспечить требуемый диапазон изменения коэффициентапередаци делителя инаправления его изменения,Устройство для регулирования температуры в камере высокого давленияработает следующим образом.При подаце электрической мощностивнутри КВД выделяется определенноеколицество тепла, которое расходуетсяна нагревание материала, помещенногов камеру, а также на нагревание телаКВД и прессовой установки, т,е. между нагреваемым материалом и телом КВДимеется. практически идеальный тепловой контакт (электрическая энергиявнутрь КВД передается за счет электрического контакта между телом КВДи нагреваемым материалом). Однако,так как величина площади тепловогоконтакта незначительная, то основноеколичество тепла расходуется на нагревание материала внутри КВД. Послеустановления динамического равновесия между количеством тепла, выделяемым внутри КВД, и используемымна поддержание установившейся темпе"ратуры в камере и расходуемым на нагревание тела камеры и прессовой установки, температура в камере становится квазистационарной и дальнейшее медленное увеличение ее происходит за счет уменьшения количестватепла, отводимого в тело КВД, вслед. ствие увеличения его температуры.Установлено, что температура телаКВД, начиная с некоторого момента10087.1 2 8 времени, изменяется по тому же эа- Исходя из коэффициента передачи КВД кону, цто и внутри КВД, т.е. измене-,.;, по регулируемой температуре опредение температуры тела КВД, начиная с ляют требуемое значение дополнитель" этого момента, и температуры внутри ной мощности, с учетом которой тем- КВД - пропорциональны. Время наступ- у пература начала квазистационарного ления этого момента для разных то- режима будет соответствовать стачек тела КВД различно и зависит от ционарнойкоординат тоцки внутри тела КВД. О 9 КН Пропорциональность изменений темпе-К:Кэ ратур внутри КВД в квазистационном ре 19 1жиме позволяет формировать корректи- где К - коэффициент передачи, КВД; рующий сигнал, который практически К в . коэффициент передачи датци" устраняет квазистационарный режим, ка температуры тела КВД. превращая его в стационарный. Для Из полученных значений определяют ко этого измеряют температуру тела КВД ,эффициент настройки усилителя 10 датчиком 9. Сигнал датчика усиливаютусилителем 10, коэффициент передачи Кн которого выбирают таким, чтобы пол О К Кэ ное изменение температуры тела КВД, В большинстве случаев, вследствие начиная с начала квазистационарного 20 зависимости теплофизических свойств режима внутри КВД, соответствовало обрабатываемого материала в КВД от такому изменению задающего сигнала регулируемой температуры, статичесмощности, которое бы изменяло тем- кая характеристика 6 = т(Р) является пературу в КВД на величину ее изме- нелинейной, т.е. при изменениях ренения в квазистационарном режиме, 23 гулируемой температуры в широкИх и вычитают его из сигнала задатчика. пределах изменяется величина коэффиПри этом величина мощности должна иэ- циента передачи КВД, исходя из кото- меняться так, чтобы температура внут- рого определяю коэффициент передачири КВД, начиная с момента возникнове- .усилителя 10. Это приводит к тому,ния квазистационарного режима, оста- ЗЕ что при различных регулируемых темвалась постоянной. Установленную ве- пературах корректирующая цепь не обесличину мощности непрерывно уменьшаюпечивает требуемой компенсации мощ"в соответствии с повышением темпера- ности, вызывая либо недокомпенсацию, туры тела КВД, при этом повышение либо перекомпенсацию, что вызываеттемпературы .в камере, связанное с из- появление статических и динамическихменением теплосодержания тела КВД, погрешностей, Для устранения этогокомпенсируется уменьшением подводи- явления необходимо изменять коэффимой мощности так, что температура в циент передачи усилителя 10 в соот"камере остается постоянной, Для то- ветствии с изменением коэффициентаго, чтобы в установившемся режимепередачи объекта. Этузадачу выпол"корректирующий сигнал не оказывал вли няет управляемый делитель 12, входяяния на статическую регулировочную щий в состав усилителя 10, который характеристику 9 =. Г (Р), задающий изменяет свой коэффициент передаЧи сигнал О предварительно увеличи- в соответствии с задающим сигналомвают на величину возможного измене- мощности.ния корректирующего сигналаВ этом Высокая статическая и динамичес" слуме управляющий сигнал регулятора кая точность регулирования темпера- мощности 0 представляет собой сумму . туры в КВД достигается при наличии ОВ = 0+ЬО - 0,(1), которая в ста- регулятора мощности, обеспечивающем тическом режиме йереходит в равенство высокую статическую и динамическую 08 = О, так как30точность. Регулятор электрической.ЬО - фО.то при 1: - -оо, мощности (Фиг. 2) имеет статическуюДля настройки цепи коррекции в точность не менее 0,14, жесткую репроцессе испытаний КВД определяют из- гулировоцную характеристику и инменение температуры внутри КВД -6 вариантен к возмущениям, поступаю- и тела КВД - йТ в квазистационарном щим от сети и нагрузки.Ирежиме и по полученным значениям йО. . Принцип работы регулятора электи йТ определяют коэффициент передачи . рической мощности основан на фазомежду этими температурами Ки =Ь 9 /йТ. вом методе управления силовыми тирис12 10 9 10087торами с включением их в начале полупериода напряжения питающей сетии принудительным выключением в требуемый момент, В момент перехода на-, пряжения питающей сети 5 через нуль звключается один из силовых тиристоров исполнительного органа 14 и пропускает электрическую мощность через трансФорматор 13 в нагрузку, приэтом она измеряется датчиком мгно Овенной мощности 15, сигнал с которогопоступает на один из интеграторов,работающих в данный момент (второйинтегратор в это время обнулен и отключен), Мгновенные значения мощнос- Ити интегрируются и в момент равенствазаданного значения и сигнала, накопленного в интеграторе, срабатываеткомпаратор 20 и выдает импульс наблок 21 выключения исполнительногооргана, который и запирает включенныйсиловой тиристор. Одновременно им,пульс кэмпаратора 20 опрокидываетсчетный триггер 22, который отключа-ет и обнуляет ранее работавший инте- Згратор и подключает второй интегратор к выходу датчика мгновенной мощности. В следующий полупериод напряже"ния питающей сети работа регуляторамощности повторяется, ЗЕДля устранения влияния измененияРН и связанного с ним КПД на температуру в камере высокого давления врегуляторе корректируют величину мощности по сигналам, пропорциональнымтоку и напряжению так, чтобы изменения Рн КПД не влияли на регулируе;мую температуру,Если влияние КПД на температуру в камере представить как влияние ка кого-то фиктивного звена, включенного между регулятором мощности и камерой высокого давления, то для ком;пенсации действия этого звена в регулятор необходимо ввести звено с обратной передаточной характеристикой, Из выражения для КПД (1) обратная характеристика равнаЮ где,Э и 0 " среднее значение тока и ф напряжения во вторичной цепи силового трансформатора. Раскладывая это выра" жение в степенной ряд и ограничиваясь тремя членами разложения, получим требуемую функциональную зависимость мощности Р от КПДГ = ф+-+(Н), (3)при которой КПД не будет оказыватьвлияния на регулируемую температуру.Из выражения (3) видно, что корректирующий сигнал формируется согласносумме0 Рт 0 (Рт), (4)что и реализовано в устройстве, пред"ставленном на фиг. 3.В данном регуляторе переменные сигналы тока и напряжения выпрямляются,усредняются на фильтрах и поступаютна делительное устройство 23. Сигнал,полученный при делении сигнала токана сигнал напряжения, дополнительнонормируется коэффициентом К, пропорциональным Р , величина которого при-тфнимается постоянной, и подается насумматор 7 и квадратор 24. Выходнойсигнал квадратора также подается насумматор 7,Теоретический анализ и практические исследования показали, что выражение (4) с достаточной точностьюможно заменить выражениемКО 0что позволяет в автоматическом регуляторе температуры (фиг, 5) исключить квадратор, изменив при этом вделительном устройстве коэффициентнормирования К на (К + К). Установлено, что операцию деления - можноЭзаменить операциями суммированиявычитания при изменении Рн в пределах + 203 от номинальной величиныпри нормированных значениях Э и 0(Э и 0 при номинальном сопротивлениинагрузки РН но,щ принимаются за условную единицу 3 = 0 = 1), при этом- 1+3 "00(6)Данные приближения реализуются в упрощенном устройстве регулированиятемпературы (фиг. 4), в котором средние значения сигналов тока и напряжения при Рн ноприравниваются,принимаются за условную единицу искладываются на сумматоре в соответствии с формулой (6). Выходной сигналсумматора нормируют в соответствии скоэффициентом (К + К ) на усилителе 30и подают на сумматор 7,11 1003712 12Испытания автоматического регуля- ратуры, связанные с возмущениями в тора температуры в камере высокого питающей сети.давления, проведенные на реальном оборудовании, показали, что он обеспе- Использование предлагаемого авточивает регулирование температуры с 3 матического регулятора температуры точностью не менее0,53 при точности в камере высокого давления позволит прототипа + 5 Ф, при этом практически получить высокую точность и качество полностью устраняется квазистационар" регулирования, что окажет существенный режим. Кроме того, полностью уст- ное влияние на количествб и качество ранены динамические пульсации темпе ф производимой продукции.1008712 Фиг,ф упр ставитель Л. хред С.Иигуно цов ректор Ю. Иакарен дакт Кура акаэ 2336/5 тная, 4 ППП "Патент", г. ужгород, ул. ли Тираж 872 Подписно ВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам иэобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раущская наб., д