Спосіб програмного визначення стану електронагрівача

Спосіб програмного визначення стану електронагрівача, що включає керування електрорушійною силою джерела живлення за допомогою комп'ютера і одночасні виміри напруг UT на електронагрівачі і Un на з'єднаному послідовно з ним термостабілізованому електричному опорі, який відрізняється тим, що після вмикання джерела живлення і стабілізації температури електронагрівача в режимі з коефіцієнтом корисної дії, що не перевищує 0,5, збільшують перемиканням джерела живлення електрорушійну силу, реєструють 2 3 83073 навчання математики, фізики, інформатики: Збірник наукових праць. - Кривий Ріг, Видавничий відділ НМетАУ, 2006, - Т.2], в якому інформативними факторами, що визначають інтенсивність енерговиділення в резистивному нагрівачеві, є величини прикладеної до нього електричної напруги, а також електричної напруги на послідовному з'єднанні термостабілізованого резистора і нагрівача. Програмно-апаратний комплекс для керування енерговиділенням випарників і нагрівачів, що реалізує цей спосіб, включає аналого-цифрові і цифроаналогові перетворювачі (АЦП і ЦАП), розташовані між комп'ютером і периферійними функціональними приладами. Сигнали електричних напруг нагрівача (Un) і послідовного з'єднання термостабілізованого резистора і нагрівача (UT), вводяться в керуючий нагрівачем комп'ютер через погоджувальні і аналого-цифрові перетворювачі, використовуються для фіксації залежностей від часу як цих величин, так і технологічних характеристик нагрівача, ними зумовлених. Звернемо увагу на те, що узгодженням величин початкового опору (Ro) електронагрівача і внутрішнього опору (r) джерела живлення можливе керування діапазоном енерговиділення (в координатах теплова потужність критерій RT/г) і його оптимізация. До причин, що перешкоджають досягненню зазначеного нижче технічного результату при реалізації відомого способу, прийнятого за прототип, відноситься необхідність отримання і використання результатів незалежних попередніх вимірів іншими приладами чисельних значень початкового опору (Ro) електронагрівача і внутрішнього опору (r) джерела живлення, а також комп'ютерного відслідковування для працюючого нагрівача регресивним методом по реєструємим сигналам електричних напруг нагрівача (Un) і послідовного з'єднання термостабілізованого резистора і нагрівача (UT) чисельних значень температури, яка з урахуванням температурної залежності опору матеріалу нагрівача використовується для рорахунку відношення опору електронагрівача до внутрішнього опору джерела живлення. В основу винаходу поставлена задача спрощення визначення миттєвих значень відношення опору електронагрівача до внутрішнього опору джерела живлення через усунення необхідності використання в розрахунках результатів незалежних попередніх вимірів іншими приладами чисельних значень початкового опору (Ro) електронагрівача, внутрішнього опору (r) джерела живлення і плинних чисельних значень температури електронагрівача. В пропонованому способі програмного визначення стану електронагрівача, що включає комп'ютерні керування електрорушійною силою джерела живлення і одночасні виміри напруг UT на електронагрівачеві і Un на послідовному його з'єднанні з термостабілізованим електричним опором, згідно з винаходом після вмикання джерела живлення і стабілізації температури електронагрівача в режимі з коефіцієнтом корисної дії, що не перевищує 0,5, перемиканням збільшують електрорушійну силу, реєструють виміряні значення UT і B 4 Un B відразу після перемикання, вибирають зна чення UT і Un в режимі з коефіцієнтом корисної C C дії, що не нижче за 0,5, які задовольняють умові UТ В UnВ - UTВ = 1 , і визначають стан електронаUТ С UnС - UTС грівача для будь якого і-го моменту часу сукупнісR тювідносного опору i і відносної теплової потуR Pi жності , які програмно розраховуються за PTC ( ( ) ) формулами UTi Ri = × Um - UT i r (Un C )( - UTC × UnВ - UТ В UTB × UTC ) і UTi æ Un - UT ö ç ÷ Pi i ø è i = , де Ri - невідомий опір елеPT UTC æ Un - UT ö ç ÷ C Ci ø è C ктронагрівача, що відповідає миттєвим значенням вимірюваних напруг UTi і Uni, а r - невідомий внутрішній опір джерела живлення. Перелік ілюстрацій і пояснення до них. На Фіг.1 наведені залежності гріючих (лінії 715) і розсіюваних однаковими по формі стрічковими нагрівачами різного електричного опору (лінії 16) потужностей Р (нормованих на максимальну), від відношення rt/г опору електронагрівача rt (при температурі Т) до внутрішнього опору r джерела живлення. Лінії 1-6 відповідають наступній добірці значень відношення Ro/r : 1 -0,034, 2 - 0,075, 30,15, 4 - 0,3, 5 - 0,5, 6 - 0,75. де Ro - величина опору єлектронагрівача при початковій температурі (до першого вмикання струму). Лініями 7-15 подано залежності від відношення R-r/r величин гріючих потужностей Р (нормованих на максимальну), що відповідають зменшенню електрорушійної сили Е джерела живлення з кроком 1 В, починаючи з Е = 11 В (лінія 7). На Фіг.2 наведений збільшений фрагмент частини Фіг.1, на якому всі лінії позначені так само, як на Фіг.1. Точки А, В, В1 і В2 розташовані на одній вертикалі, що визначається величиною RTB/г. В точках В і С електронагрівач характеризується однаковими гріючими потужностями при незмінному значенні електрорушійної сили джерела живлення. При більших значеннях електрорушійної сили джерела живлення інші однакові гріючі потужності характерні для пар точок В1 і С1, В2 і С2. Графіки, наведені на Фіг.1, ілюструють модельні залежності теплової потужності, що відводиться (переважно випромінюванням) в стабілізованих станах стрічковими нагрівачами з одного матеріалу, які мають майже всі геометричні розміри однаковими і різняться тільки товщинами. У зазначених умовах варіації товщин нагрівачів визначають варіаціі початкових (до початку нагрівання) величин їхніх опорів Ro і відповідних стартових величин параметра Ro/r. Миттєвий стан електронагрівача в довільний момент часу може бути охарактеризований точкою на полі графіка Фіг. 1 у координатах відносної по 5 83073 тужності і відношення опору електронагрівача до внутрішнього опору джерела живлення. З наведених на Фіг.1 залежностей гріючих (лінії 7-15) і розсіюваних однаковими по формі стрічковими нагрівачами різного електричного опору (лінії 1-6) потужностей від відношення RT/r випливає, що саме відношення опору електронагрівача до внутрішнього опору джерела живлення є ключовим параметром, який визначає (для кожної пари джерело струму - конструкція електронагрівача) як діапазон можливих величин енерговиділення, так і, як наслідок, діапазон досяжних температур. Пропонований спосіб програмного визначення стану електронагрівача може бути здійснено у такій послідовності. Вмикають живлення нагрівача і витримкою в часі стабілізують його температуру для режиму, коефіцієнт корисної дії (ккд) для якого гарантовано менше за 0,5. Цей режим на Фіг.2 позначений точкою А і може бути реалізований R, для значень R відносного опору T , що не перевищують одиr ниці. Перемиканням (стрибком з лінії 15 до лінії 11, Фіг.2) збільшують електрорушійну силу джерела живлення, одночасно вимірюють напруги UT на B електронагрівачеві і Un на послідовному його B з'єднанні з термостабілізованим електричним опором відразу після перемикання (в точці В), а також ті напруги UT і Un що формуються при нагріC C ванні в режимі з ккд вище за 0,5 (такий ккд на Фіг. 2 як і на Фіг. 1 реалізується для більших за одиниR цю значень відносного опору T ) і задовольняr ють (точка С на Фіг.2) умові: UTB UnB - UTB =1. (1) UTC UnC - UTC ( ( ) ) Розглянемо основні етапи перетворень більш детально. Після збільшення перемиканням (стрибком) електрорушійної сили джерела живлення нагрівача в початковий момент часу, поки ще не починає змінюватися (внаслідок теплової інерційності) величина його активного опору, теплова потужність РВ, що виділяється на цьому опорі (точка В на Фіг.2), може бути визначена за формулою: UT Un - UT B B B PB = UTBIB = (2) RCT де RСТ - величина термостабілізованого опору. При зміні в наступні моменти часу опору електронагрівача і теплової потужності, що виділяється на ньому, величина якої при сталій електрорушійній силі проходить через максимум (максимуми відносної теплової потужності при сталих електроR рушійних силах на Фіг.2 досягаються при T = 1 , r що відповідає умові ккд = 0,5), для режиму з ккд вище за 0,5, можливе знаходження такої точки С (з параметрами UT і Un ), для якої виконується ( C ) C умова однаковості теплової потужності в точках В і 6 С на Фіг.2 (аналогічно може бути використаний тепловий баланс для пар точок В1 та С1 і В2 та С2 на Фіг.2): PB = P C (3) і яка з урахуванням співвідношення (1) на рівні комп'ютерне контрольованих напруги UT на електронагрівачеві і Un на послідовному його з'єднанні з термостабілізованим електричним опором, може бути легко програмне відслідкована мінімізацією похибки виконання рівняння: UTB UnB - UTB -1 = 0 (4) UTC Un C - UTC ( ( ) ) Співвідношення (3) перепишемо у вигляді: UT IB = UT IC (5) B C і у наближенні закону Ома для замкненого електричного кола нагрівана (e - електрорушійна сила джерела живлення, r - його внутрішній опір): UT + IB × r = e ; UT + IC × r = e ; C B IB = e ; IC = RTB + r e ; RTC + r (6) отримаємо співвідношення (7) R TB × R TC = r 2 Враховуючи, що опір нагрівача для точок В і С (Фіг.2) може бути визначений співвідношеннями: UT UT B C RTB = і RTC = , (8) IB IC а відповідні величини струму Un - UT Un - UT B B C C IB = і IC = , (9) RCT RCT отримаємо з виразів (8) і (9) відношення: R TB UTB Un C - UTC = , (10) R TC UTC Un B - UTB ( ( ) ) Із системи, утвореної об'єднанням рівняннь (7) і (10), отримаємо співвідношення: R TB r R TC r = = ( ( UT (Un UT (Un )і ) - UT ) . - UT ) UTB UnC - UTC UTC UnB - UTB C B B C (10) B C Співвідношення (10) перепишемо для будь якого і-го моменту часу, для якого виміряні миттєві значення напруг UТі і Unі опір електронагрівача характеризується величиною Ri (в порівнянні з параметрами, що характеризують нагрівач в точці С Фіг.2): UTi Un C - UTC Ri = (12) UTC (Uni - UTi ) R TC ( ) Ri з формули (12): r Ri UTi UnC - UTC R TC = × UTC (Uni - UTi ) r r Виділимо вираз ( ) (13) Підставляючи співвідношення (11) в формулу (13), отримаємо розрахункову формулу: 7 UTi Ri = × Uni - UTi r 83073 (Un C )( - UTC × UnB - UTB UTB × UTC ). (14) Відносну потужність нагрівача для будь якого і-го моменту часу визначимо за формулою UTi Un i - UTi Pi = (15) UTC Un C - UTC PTC яка спирається на послідовне визначення потужностей Р i і PT електронагрівача з використан ( ( ) ) 8 Спираючись на співвідношення (14) і (15), по точках стаціонарного теплорозсіяння з електронагрівача, зафіксованих при різних значеннях електрорушійної сили джерела живлення, можемо отримати залежність розсіюваної досліджуваним R і нагрівачем теплової потужності від параметру r зробити висновки щодо можливості і шляхів її оптимізації. C ням співвідношення (2). Комп’ютерна верстка В. Клюкін Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601