Система вимірювання та регулювання температури

Реферат: Система вимірювання та регулювання температури включає перший контур регулювання у складі термоелектричного перетворювача, розміщеного на об'єкті вимірювання та регулювання температури, підключеного до його виходу першого вимірювального каналу, а також послідовно ввімкнених пристрою задання температури об'єкта та першого каналу регулювання, вихід якого підключений до нагрівача об'єкта, та другий контур регулювання у складі послідовно ввімкнених термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, розміщеного на об'єкті вимірювання та регулювання температури, другого вимірювального каналу та другого каналу регулювання, вихід якого підключений до входів регулювання термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля. До виходу другого вимірювального каналу підключені пристрій визначення похибки термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, перший вихід якого підключено до входу пристрою задання профілю температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, а другий - до входу пристрою корекції похибки термоелектричного перетворювача, що входить у перший контур регулювання. Другий вхід пристрою корекції підключено до виходу першого вимірювального каналу, а його вихід - до другого входу першого каналу регулювання. UA 115927 U (54) СИСТЕМА ВИМІРЮВАННЯ ТА РЕГУЛЮВАННЯ ТЕМПЕРАТУРИ UA 115927 U UA 115927 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до засобів вимірювання та регулювання температури і може бути використана при побудові систем вимірювання та регулювання температури з високою точністю за рахунок корекції похибки найменш точної ланки таких систем - термоелектричного перетворювача на базі термопар, що використовується як первинний вимірювальний перетворювач у системах вимірювання та регулювання високих (вище 500-600 °C) температур. Широке розповсюдження термоелектричних перетворювачів і термопар як їх чутливого елемента зумовлене їх широким діапазоном вимірювання (від мінус 200 до 2500 °C [1]), простотою конструкції (два провідники зварені одними кінцями), механічною міцністю та невисокою ціною. Однак точність термопар доволі невисока, їм притаманні наступні основні види похибок: 1. великі початкові відхилення їх функції перетворення від номінальної - для найбільш поширених термопар типу хромель-алюмель (ХА) досягають 5,5 °C при 600 °C та 8 °C при 1100 °C [2]; 2. значний дрейф функції перетворення термопар в процесі тривалої експлуатації при високих температурах - для термопар типу ХА досягає 0,5 °C при 600 °C та 10 °C при 1100 °C за час експлуатації 1000 годин [3]; 3. велика похибка від набутої в процесі тривалої експлуатації при високих температурах термоелектричної неоднорідності електродів термопар - для термопар типу ХА досягає 2 °C при 600 °C та 11 °C при 1100 °C за час експлуатації 1000 годин [3]. Відомі способи корекції початкових відхилень функції перетворення термопар зводяться до їх первинної повірки та корекції похибок за її результатами [4]. Способи корекції похибок від дрейфу функції перетворення давачів (сенсорів) різних типів в процесі тривалої експлуатації зводяться до їх періодичної повірки в умовах експлуатації [4] та побудови індивідуальної математичної моделі дрейфу. Найбільш досконалі індивідуальні математичні моделі дрейфу будують за допомогою нейронних мереж [5]. Способи корекції похибки від набутої в процесі тривалої експлуатації при високих температурах термоелектричної неоднорідності електродів термопар зводяться до створення штучного постійного профілю температурного поля вздовж термоелектродів термопари, що вимірює температуру об'єкта [6], або до повірки термопари у декількох профілях температурного поля та навчанні нейронної мережі, яка повинна прогнозувати похибку термопари у всіх інших профілях температурного поля [7]. Найвищу точність вимірювання температури за допомогою термопар забезпечує спосіб [8], який забезпечує бездемонтажну періодичну повірку на місці експлуатації головної термопари термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, запропонованого у [6]. За результатами періодичних повірок можна будувати індивідуальні моделі дрейфу ФП цієї головної термопари, наприклад, які запропоновано у [5]. Однак для проведення бездемонтажної періодичної повірки головної термопари термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля необхідна значна зміна стабільного зазвичай профілю температурного поля. При цьому в процесі зміни профілю температурного поля (при перехідному процесі, який проходить практично у всіх зонах термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля), змінюється також похибка термопари (через прояв її похибки від набутої неоднорідності, див. п. 3). Це веде до хаотичних змін генерованої головною термопарою термо-е.р.с. Ці зміни ведуть до розхитування системи регулювання температури об'єкта вимірювання та регулювання температури, що суттєво погіршує якість процесу регулювання та збільшує витрати пального (особливо при реалізації складних законів регулювання). Можлива також поява температурних хвиль, які, особливо при регулюванні багатотонних об'єктів, затухають значно довше за тривалість процесу періодичної повірки. Задачею корисної моделі є усунення впливу змін генерованої головною термопарою термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля термо-е.р.с. під час її періодичної повірки (тобто визначення похибки в процесі експлуатації згідно з [8]). Поставлена задача вирішується у створенні двоконтурної системи вимірювання та регулювання температури об'єкта. Перший контур регулювання складається із термоелектричного перетворювача, розміщеного на об'єкті вимірювання та регулювання температури, підключеного до його виходу першого вимірювального каналу, а також послідовно ввімкнених пристрою задання температури об'єкта та першого каналу регулювання, вихід якого підключений до нагрівача об'єкта. Другий контур регулювання складається із послідовно ввімкнених термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, розміщеного на об'єкті вимірювання та регулювання температури, другого вимірювального каналу та другого каналу регулювання, вихід якого підключений до входів регулювання термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля. При цьому 1 UA 115927 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 виходи термопар керування профілем температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля підключені до додаткових входів другого вимірювального каналу, а до другого входу другого каналу регулювання підключено виходи пристрою задання профілю температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля. В неї введено два пристрої - визначення похибки термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, згідно з [8], та корекції похибки термоелектричного перетворювача, що входить у перший контур регулювання. Вхід першого пристрою підключено до виходу другого вимірювального каналу. Його перший вихід підключено до входу пристрою задання профілю температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, а другий - до входу другого введеного пристрою (корекції похибки термоелектричного перетворювача, що входить у перший контур регулювання). Другий вхід пристрою корекції підключено до виходу першого вимірювального каналу, а його вихід - до другого входу першого каналу регулювання. На кресленні подана структурна схема пропонованої системи вимірювання та регулювання температури об'єкта. У склад першого контуру регулювання входять термоелектричний перетворювач ТЕП1, перший вимірювальний канал ВК1, пристрій корекції ТЕП1 Корекція ТЕП1, канал регулювання КР1 і пристрій задання температури об'єкта Зад.1. ВК1 вимірює термо-е.р.с. ТЕП1 і перетворює її у значення температури об'єкта. Пристрій Корекція ТЕП1 коригує похибку вимірювання температури шляхом введення поправки, отриманої з другого контуру регулювання. КР1 порівнює отримане значення температури із заданим Зад.1 значенням. При наявності різниці КР1 обчислює згідно з заданим законом регулювання та його параметрів необхідну зміну потужності Нагрівача. У склад другого контуру регулювання входять термоелектричний перетворювач з керованим профілем температурного поля ТЕП з КПТП, вимірювальний канал ВК2, канал регулювання КР2 та пристрій задання профілю температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля Зад.2. ВК2 своїми додатковими каналами вимірює термо-е.р.с. термопар, розміщених у зонах регулювання ТЕП з КПТП. КР2 порівнює отримані з ВК2 значення температури зон із заданими Зад.2, обчислює необхідні зміни потужності нагрівачів ТЕП з КПТП та реалізує їх. При цьому КР2 реалізує наприклад запропонований у [9] нейромережевий метод керування. Періодично, коли вимірювана головною термопарою ТЕП з КПТП температура об'єкта залишається стабільною, пристрій Похибка ТЕП з КПТП (пристрій визначення похибки ТЕП з КПТП) ініціює процедуру визначення похибки ТЕП з КПТП. Для цього, згідно з [8], він посилає команду пристрою Зад.2, який змінює заданий ТЕП з КПТП профіль температурного поля. КР2 реалізує відповідні зміни потужності нагрівачів ТЕП з КПТП і, через деякий час (зазвичай не більше однієї години), у ТЕП з КПТП профіль температурного поля вимірювання змінюється на профіль температурного поля визначення похибки. Як до, так і після зміни профілю температурного поля ВК2 вимірює термо-е.р.с. головної термопари ТЕП з КПТП та перетворює її у значення температури. Результати вимірювання запам'ятовує пристрій Похибка ТЕП з КПТП. В подальшому він за різницею температур у двох профілях температурного поля та за результатами первинної повірки головної термопари ТЕП з КПТП обчислює, згідно з [9], поточне відхилення температури об'єкта від заданої Зад. 1 та формує сигнал Поправка, який надходить на пристрій Корекція ТЕП1. Таким чином температура об'єкта приводиться до заданої Зад.1 з високою точністю, на неї не впливають похибки ТЕП1 та ВК1. Перевагою пропонованої системи є те, що перший контур регулювання практично не відрізняється від традиційних систем регулювання, теорія та методи налаштування яких достатньо добре розроблені. У той же час другий контур регулювання працює не у реальному часі. При зміні температури об'єкта (її сталість є умовою успішної реалізації способу [8] визначення похибки головної термопари термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля) чергова спроба визначення похибки може бути просто проігнорована. Зміни термо-е.р.с. головної термопари під час зміни профілю температурного поля головної термопари ніяк не впливають на процес регулювання температури об'єкта першим контуром регулювання. Пропонована система вимірювання та регулювання температури може знайти широке використання у об'єктах теплоенергетики, наприклад печах теплових електростанцій. Її висока точність та метрологічна надійність дає змогу зменшити температурний технологічний запас, що визначає температуру пари, яка подається у турбіну. А це дає змогу підвищити коефіцієнт корисної дії теплових електростанцій. Джерела інформації: 2 UA 115927 U 5 10 15 20 1. Енциклопедія термометрії / Я.Т. Луцик, Л.К. Буняк, Ю.К. Рудавський, Б.І. Стадник. - Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка", 2003. - 428 с 2. Перетворювачі термоелектричні. Номінальні статичні характеристики перетворення: ДСТУ 2837-94. - [Чинний від 1986-04-01] - К.: Держстандарт України, 1994. - (Національний стандарт України). 3. Васильків Н.М. Підвищення точності вимірювання температури термопарами в процесі експлуатації автореф. дис. канд. техн. наук: 05.11.04 / Н.М. Васильків. - Львів, 2011. - 20 с 4. J.E. Brignell, "Digital compensation of sensors, " Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1987. - Vol. 20, № 9. - P. 1097-1102, http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0022-3735/20/9/005. 5. Пат. № 50830 Україна, МПК 7 G06F 15/18. Спосіб формування навчальної вибірки прогнозуючої дрейф пристрою збору даних нейронної мережі /Саченко А., Кочан В., Турченко В., (Україна) Головко В., Савіцький Ю. (Білорусь), Лаопоулос Т. (Греція). 6. Пат. № 97464 Україна, МПК G01K 15/00. Термоелектричний перетворювач / Кочан О.В., Кочан Р.В. 7. Пат. 92192 Україна, МПК G01K 7/02. Спосіб корекції похибки неоднорідності термопар / Васильків Н.М., Кочан О.В., Кочан В.В. 8. Пат. 102981 Україна, МПК G01K 7/02. Спосіб корекції похибки головної термопари / О.В. Кочан, Р.В. Кочан. 9. Пат. № 105541 Україна, МПК G01K 13/00. Спосіб керування профілем температурного поля багатозонного об'єкта та пристрій для його реалізації / О.В.Кочан, Р.В. Кочан, В.В. Кочан. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 35 40 Система вимірювання та регулювання температури, яка включає перший контур регулювання у складі термоелектричного перетворювача, розміщеного на об'єкті вимірювання та регулювання температури, підключеного до його виходу першого вимірювального каналу, а також послідовно ввімкнених пристрою задання температури об'єкта та першого каналу регулювання, вихід якого підключений до нагрівача об'єкта, та другий контур регулювання у складі послідовно ввімкнених термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, розміщеного на об'єкті вимірювання та регулювання температури, другого вимірювального каналу та другого каналу регулювання, вихід якого підключений до входів регулювання термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, причому виходи термопар керування профілем температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля підключені до додаткових входів другого вимірювального каналу, а до другого входу другого каналу регулювання підключено виходи пристрою задання профілю температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, яка відрізняється тим, що до виходу другого вимірювального каналу підключені пристрій визначення похибки термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, перший вихід якого підключено до входу пристрою задання профілю температурного поля термоелектричного перетворювача з керованим профілем температурного поля, а другий - до входу пристрою корекції похибки термоелектричного перетворювача, що входить у перший контур регулювання, причому другий вхід пристрою корекції підключено до виходу першого вимірювального каналу, а його вихід - до другого входу першого каналу регулювання. 3 UA 115927 U Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4