Спосіб програмного формування лінійного закону зміни температури нагрівника

Спосіб формування лінійного закону зміни температури нагрівника, який відрізняється тим, що формування закону здійснюється прецизійною 3 чають легкого доступу до об'єкта дослідження та візуального спостереження за ним у процесі перетворень, що важливо при комплексному вивченні природи і температурних меж низки теплових процесів, що накладаються - дегідратації, розкладання, фазових перетворень (особливо високоінтенсивних, з газовиділенням тощо); функціональних залежностей фізичних властивостей речовин в умовах і режимах не передбачених інструкціями з експлуатації комплексів; вивчення зразків у малих кількостях. Це призводить до невідтворюваності результатів дослідження, збільшує вірогідність помилкової інтерпретації природи й механізмів перетворень, а в деяких випадках, навіть унеможливлює реалізацію поставленої задачі. У термоаналітичних комплексах у якості елементу системи автоматичного регулювання потужністю нагрівника використані виконуючі пристрої із тиристорним підсилювачем, що працюють на змінному струмі. Останні виявляють низку недоліків. Найбільш суттєві - залежність вихідної напруги і потужності від коливань напруги в мережі й нелінійна S-подібна вихідна характеристика [5-7]. Встановлено також, що невиконання лінійної залежності між параметром керування і вихідною потужністю Рвих. призводить до додаткової нелінійності виду ∆2≈Рвих. Наявність подібних нелінійностей не дозволяє зробити коефіцієнт передачі головної петлі негативного зворотного зв'язку (н.з.з.) і точність регулювання значними внаслідок підвищеної здатності всієї системи керування до самозбудження. Особливо це має місце при наявності у петлі н.з.з. трансцендентних ланок (ланок чистої затримки) чи ланок із великою постійною часу, що характерно для пристроїв стабілізації і регулювання температури [8-11]. У зв'язку з вищесказаним, значний інтерес являє розробка пристроїв формування температурних законів із лінійною за потужністю вихідною характеристикою для можливості вирішення поставленого завдання. Відомими прототипами корисної моделі, що розглядається, є способи технічної реалізації і функціонування блоку керування програмою регулювання температури дериватографа Q-1500D [с.61,62; рис. 21, 1] і лінійного тиристорного підсилювача, описаного в [4]. У системах за одиницю часу регулювання беруть 1 1 t0 = . 2 fмережі Змінюючи за допомогою відповідних схем запуску кут включення тиристора, в широких межах здійснюється регулювання середнього значення вихідної потужності. Пристрої використовують різновид фазо-імпульсного методу керування тиристором - вертикальне, при якому із метою підвищення точності і стабільності моменту відкривання тиристора на його електрод керування подають імпульс напруги з крутим фронтом. При цьому на вході генератора імпульсів здійснюється порівняння (Фіг.1) Uпорог. постійної напруги (1) й напруги, що змінюється за величиною (2) (може мати синусоїдальну, трикутну чи пилкоподібну (як показано на Фіг.1) форму). У момент їх рівності генерується 43549 4 імпульс (3) керування тиристором. У колі змінного струму останній закривається самостійно в момент переходу величини анодного струму через нуль, що й зумовлює широке використання цього керованого напівпровідникового діоду. Зміну моменту виникнення керуючого імпульсу, тобто зсув його фази, у дериватографі [1] здійснюють зміною швидкості зростання пилкоподібної напруги (2а, Фіг.1а); у системі керування, використаній у корисній моделі та [4] - зміною його початкового рівня (2б, Фіг.1б). Пристрої зсуву фази (ПЗФ) у свою чергу містять вхідні пристрої, які сприймають напругу керування Uкep., генератор змінної напруги і пристрій порівняння (у якості названих елементів можуть бути використані найрізноманітніші пристрої). Найчастіше у генераторах змінної напруги використовується напруга зарядження конденсатора через певний резистор, початкову ділянку експоненціальної кривої, яку можна вважати практично прямолінійною. Змінюючи опір резистора, змінюють струм заряду конденсатора, тобто швидкість зростання напруги на ньому, а значить і момент появи відкриваючого тиристор імпульсу. Заміна резистора регулюючим елементом дає можливість автоматично регулювати напругу на кінцевому нагрівнику. Цей метод керування кутом пуску тиристора лежить в основі принципу роботи і функціонування блоку фазового керування "HEATING CONTROL" дериватографа Q-1500D [с.61, 62 [1]] за допомогою використання спеціально сконструйованого програмного "потенціометра" - геліпота Р101, що приводиться в рух імпульсним двигуном, який працює синхронно із частотою напруги живлення мережі за відповідною наперед заданою програмою. Геліпот конструкційно являє собою систему незалежних жорстко зв’язаних багатоярусних потенціометрів, поступовим обертанням якого здійснюється синхронне одночасне "розгортання" із часом опорної напруги задатчика системи автоматизованого програмування температури печі та лінеаризація схемними засобами вихідної характеристики тиристорного підсилювача, що коректуються відповідно залежно від вибору режиму функціонування; максимальної кінцевої температури чи процентного її значення; заданої швидкості рівномірного нагрівання - 3, 6, 10град./хв. тощо. Другим відомим прототипом корисної моделі, що розглядається, є спосіб організації лінійного негативного зворотного зв'язку тиристорного підсилювача [4] для надання стійкості роботи системи прецизійного регулювання й стабілізації тепловими процесами. У пристрої напруга негативного зворотного зв'язку знімається із вихідних клем підсилювача паралельно нагрівнику і через узгоджуючий - розв'язуючий трансформатор подається на нагрівник вакуумного термоперетворювача (ВТП). Вихідна напруга ВТП, пропорційна вихідній потужності підсилювача і підсилена корегуючим інтегральним підсилювачем, складається з напруги задатчика й лінійно змінної напруги формувача і використовується як сигнал керування за відхиленням системою автоматизованого регулювання. Підбором коефіцієнта передачі такої громіздкої 5 системи головної петлі негативного зворотного зв'язку забезпечується стійкість її функціонування. Жоден із наведених способів не дає можливості вирішити завдання в комплексі. Метою розроблення корисної моделі - є створення простими технічними засобами багатоцільового програмного формувача лінійного з часом закону зміни температури у робочій зоні легко розбірного касетного нагрівача з можливістю візуального спостереження за зразком й хорошим відтворенням умов і режиму дослідження, з високою надійністю й вдалими метрологічними характеристиками для оснащення лабораторних, наукових і виробничих термоаналітичних комплексів з вивчення температурної поведінки і встановлення функціональних залежностей параметрів досліджуваних об'єктів. Запропонована розробка є одним із можливих простих варіантів її реалізації, результатом тривалого творчого пошуку можливості поєднання ефективності й переваг принципів, що лежать в основі побудови сучасних систем регулювання в блоці керування програмуванням температури в дериватографі [1] і підвищеної стійкості та надійності роботи прецизійних систем керування тепловими процесами, організованих із застосуванням лінійних елементів у головному контурі негативного зворотного зв'язку [4]. Можливі й інші, наприклад, у поєднанні з електронним дискретним задаванням опорної напруги, що особливо важливо при автоматизації експерименту і для підвищення його надійності. Спосіб програмного формування лінійного закону зміни температури нагрівника технічно реалізований у пристрої ПФЛЗТ (пристрої формування лінійного закону зміни температури) для спеціально розробленого багатоцільового термоаналітичного комплексу, структурна схема якого приведена на Фіг.2 і дозволяє наочно розібратися у підходах щодо вирішення поставленої задачі. Комплекс використовує комбінований диференціальнотермічний метод дослідження зразка й індиферентної речовини і призначений для ідентифікації речовин за температурами фазових перетворень (плавлення, кипіння, кристалізації, поліморфних переходів), термічного розкладання; вивчення природи і температурних меж протікання низки теплових ефектів - ступінчастих; близько розташованим за температурним значенням; таких, які накладаються (зумовлені зміною просторової модифікації, дегідратації, розкладання та ін.); функціональних залежностей фізичних властивостей речовин; якісного, а в деяких випадках і кількісного аналізу механічних сумішей речовин; вимірювання температур фазових переходів індивідуальних речовин і систем, побудови на їх основі діаграм стану. Вітчизняна промисловість подібних комплексів не виготовляє. Залежно від цілей втілюваних завдань даний спосіб може бути реалізований самостійно в локальних системах чи у комплексі засобів під час проведення термоаналітичних досліджень. Його температурний інтервал визначається робочою сферою використання хромельалюмелевих (ХА) перетворювачів, до 1300°С. 43549 6 Комплекс складається з легкорозбірних електричних печей із спеціальними тримачами та касет для зразків й еталону, конструкційно виготовленими з малою тепловою інерцією; пристрою лінійного програмного регулювання температури (ПФЛЗТ) з фазовим керуванням; планшетного двохкоординатного компенсаційного потенціометра для запису термограм досліджуваних зразків у координатах ∆Т-Т. Робота програмного регулятора температури (ПФЛЗТ) базується на фазовому методі керування потужністю, що підводиться до електричних нагрівників опору. Він складається із задатчика температури, первинного перетворювача (датчика температури - хромель-алюмелевої термопари, ТХА), вузла віднімання (ВВ) на основі диференціального операційного підсилювача, порогового пристрою (тригера Шмітта, ТШ), генератора з лінійним законом зміни напруги (ГЛЗН) для синхронізування роботи пристрою з частотою напруги живлення, блокинг-генератора (БГ), силового блока, схеми індикації режимів роботи пристрою, схеми індикації пориву кола термоперетворювача, параметричного стабілізатора двополярної напруги живлення. У вузлі задатчика опорної напруги використано серійний змінний потенціометр СП із лінійною залежністю опору від кута повороту (характеристика А) після нескладного видалення фіксатора кінцевого положення, на вал якого насаджена шестерня. Редуктор (Р) зі здвоєними шестернями й храповиком дозволяють легко змінювати положення движка потенціометра в процесі проведення експерименту, а також встановлювати його в початкове положення. Для зручності експлуатації потенціометр, редуктор, синхронний двигун (СД) жорстко закріплені на загальній виносній платформі. Проведенню експерименту передує підготовча стадія: а) повзунок потенціометра задатчика із храповим механізмом установлюють у крайнє початкове положення; б) потенціометр корекції "поріг спрацювання" переводять у положення, що відповідає моменту включення системи керування; в) визначають tпоч. об'єкта дослідження; г) залежно від цілей поставлених завдань і режиму програмування піднімання температури вибирають передаточне відношення редуктора приводного механізму часової "розгортай" опорної напруги задатчика й встановлюють відповідно з таблицею додатку 2 [12] та графічною температурною характеристикою термоперетворювачів із хромель-алюмелевих сплавів (Фіг.3) Uопорне верхнє., що відповідає верхньому граничному значенню досліджуваного температурного піддіапазону. Після виконання усіх підготовчих операцій за командою "пуск" розпочинається робота комплексу в автоматичному режимі. Напруга задатчика температури з прецизійного опорного джерела (ДОН) подається на інвертируючий вхід вузла віднімання (ВВ). На його неінвертуючий вхід приєднана хромель-алюмелева термопара, яка введена у ланцюг головного контуру негативному зворотному зв'язку системи регулювання, а вибір її типу зумовлений природною 7 практично лінійною залежністю ЕРС від температури, яка характерна для електродів із хромельалюмелевих сплавів. "Гарячий" спай термопари розташовується біля нагрівника й ізолюється тонким шаром термостійкого діелектрика. Різниця напруг задатчика і термопари є сигналом похибки. На вході каскаду узгодження (ВС) сигнал похибки складається з напругою формувача лінійно змінної напруги (ГЛЗН). При умові: Uвих.BB+Uвих. ГЛЗН≥Uверх. пор. на виході тригера Шмітта утворюються прямокутні імпульси, задній фронт яких "фіксований" і співпадає з кінцем робочого півперіоду напруги живлення в мережі, а передній фронт "зміщується" при зміні сигналу похибки в системі відслідковування терморегулюючого пристрою. Прямокутні імпульси, що формуються тригером Шмітта, керують роботою блокинг-генератора, на виході якого з'являються серії імпульсів загальною шириною, що відповідають тривалості прямокутних імпульсів. Блокинг-генератор застосовується для електричного розв'язування кола керування зі силовою частиною регулюючого пристрою за допомогою імпульсного трансформатора. Імпульси зі вторинної обмотки трансформатора блокинг-генератора керують фазою відкривання силового тиристорного вентиля (ВТ), здійснюючи таким чином пропорційне керування середньою потужністю нагрівача. Подача енергії в об'єкт здійснюється до тих пір, поки температура в ньому не досягне заданого значення. При цьому напруга на виході диференційного підсилювача наближається до нуля, і силовий вентиль закривається (призакривається). Система повільно проходить через низку послідовних квазіблизьких станів, відтворюючи лінійну температурну закономірність із часом у зоні нагрівання. Пристрій з таким лінійним додатковим ланцюгом н.з.з. виявляє слабку залежність від нестабільності вихідних компонентів і при великій глибині негативного зворотного зв'язку за потужністю забезпечує не тільки високу лінійність коефіцієнта передачі, але й слабку залежність вихідної потужності від коливань напруги живлення. Перевагою даного способу при технічній його реалізації у системі керування нагрівником за відхиленням температурного параметра при вирішенні поставленої задачі - є використання у системі задатчика параметра й лінійного негативного зворотного зв'язку природної лінійної залежності термо-ЕРС хромель-алюмелевих сплавів від різниці температури їх гарячого і холодного спаїв, яка сьогодні не використовується в жодному подібному аналітичному засобі. Він являє інтерес за схемним і конструкційним шляхами вирішення проблеми формування закону регулювання температури об'єкта - простий, з високою чутливістю і хорошою розрізнювальною здатністю. Реалізується на сучасних комплектуючих елементах, які 43549 8 серійно виготовляються, і може бути запропонований для використання при вирішенні багатьох аналогічних задач. Технічні можливості запропонованого способу та його переваги у порівнянні з існуючими пройшли багаторічну перевірку у фізико-хімічній лабораторії Полтавського національного технічного університету при комплексному дослідженні нітратних багатокомпонентних РЗЕ-вмісних систем як проміжних систем у процесах створення й удосконалення технологій синтезу функціональних матеріалів з особливими фізичними властивостями на їх основі. Розробка може бути використана для аналогічних наукових досліджень; у виробничих лабораторіях для проведення експрес-аналізу фазового складу вхідної сировини і готової продукції, її випробуваннях, тестуванні, оцінюванні надійності й визначенні ресурсу напрацювання; сертифікації; при встановленні функціональних зв'язків досліджуваних об'єктів тощо. Джерела, використані при описі корисної моделі 1. Дериватограф Q-1500D. Руководство по эксплуатации. MOM. Завод оптических приборов. Будапешт, 1990. - 102с. 2. Каталог промышленного контроля компании СЕТАРАМ. Научно-исследовательские инструменты и приборы: Термоанализаторы. С.5. Дифференциальный программированный калориметр ДСК 111, 101; БИО ДСК "БАТЧ ФЛОУ". С.6. Калориметр Кальве С.80. С.7. Термические дифференциальные количественные анализаторы Модель «2000 К», Модель «1500 К». С.8., Калюир, 1991. 3. Bahr Geratebau GmbH. Systeme zur Thermoanalyse. Hullhorst, 1991. - S.7. 4. Заметин В.И. Линейный тиристорный усилитель для регуляторов температуры. Приборы и техника эксперимента. Москва, 1976. - №2. С.113. 5. Тиристоры. Технический справочник. М.: Энергия, 1971. - 76с. 6. Певзнер В.В., Ткачев В.П. Приборы и системы управления. Москва, 1973. - №6. - С.32. 7. Atkinson P., Gee A.E. The Radio and Electronic Engenearing, 1969. - V. 38. - №1. - P.23. 8. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем. М.: Энергия, Наука, 1974. - 292с. 9. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. М.: Машиностроение, 1973. - 430с. 10. Шукшунов В.Е. Корректирующие звенья в устройствах измерения нестационарных температур. М.: Энергия, 1970. - Вып. 383. - 80с. 11. Попович М.Г., Ковальчук О.В. Теорія автоматичного керування. К.: Либідь, 2007. - 656с. 12. Приборы автоматические следящего уравновешивания КС 2. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ТО-994. - С.68. 9 Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 43549 Підписне 10 Тираж 28 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