Регулятор температури

Изобретение относится к системам регулирования температуры с использованием электрических средств, предназначено для задания и стабилизации температуры чувствительного элемента аналитического прибора и может быть применено в устройствах с высокими требованиями к качеству регулирования инерционных процессов. Известен регулятор температуры, содержащий термопреобразователь, мостовую измерительную схему, усилитель, фазовый детектор, формирователь пилообразного напряжения, узел сравнения, усилитель мощности и управляемые вентили [1]. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является регулятор температуры, содержащий температурный преобразователь, задатчик, суммирующий усилитель, генератор пилообразного напряжения, блок управляемых вентилей и нагреватель [2]. Данные устройства не обладают достаточной точностью, так как при любой заданной температуре установившаяся температура несколько ниже заданной, причем величина разности между заданной и установившейся температурой растет с повышением температуры. Кроме того, эти устройства нельзя использовать в среде с большой тепловой инерционностью, так как в этом случае возникают незатухающие температурные колебания, снижающие точность регулирования. Задачей изобретения является разработка нового регулятора температуры, который может быть использован для регулирования температуры объектов с заметной тепловой инерционностью без перерегулирования и с неизменяющейся ошибкой для любой величины этой температуры путем коррекции сигнала рассогласования ее скоростной составляющей и последующего е го интегрирования. Поставленная задача решена тем, что в регулятор температуры, содержащий термопреобразователь и задатчик, подключенные выходами соответственно к первому и второму входам суммирующего усилителя, последовательно соединенные блок управляемых вентилей и нагреватель, согласно изобретению, дополнительно введены преобразователь напряжение-частота с частотным и знаковым выходами, согласующий блок, блок реверсивного счета импульсов, блок преобразования кода в импульс запуска, подключенный первым выходом к управляющему входу блока управляемых вентилей, формирователь синхроимпульсов, входом подключенный к сети, и дифференциатор, при этом частотный выход преобразователя напряжение-частота подключен к первому входу согласующего блока, знаковый выход - к знаковому входу блока реверсивного счета, счетный вход которого соединен с выходом согласующего блока, выход - с кодовым входом блока преобразования кода в импульс запуска, причем синхронизирующий вход последнего подключен к выходу формирователя синхроимпульсов, второй выход указанного преобразователя соединен с вторым входом согласующего блока, вход преобразователя напряжение-частота соединен с выходом суммирующего усилителя, третий вход которого подключен к выходу термопреобразователя через дифференциатор. Согласующий блок содержит элемент задержки, элемент И, RS-триггер, первый и второй одновибраторы, при этом первый вход элемента И соединен со вторым входом блока, второй вход - через элемент задержки с первым входом блока и через первый одновибратор со входом сброса RS-триггера, выход которого подключен к третьему входу элемента И, соединенного своим выходом через второй одновибратор с установочным входом RS-триггера и выходом блока. Блок реверсивного счета содержит ключ с сигнальным и управляющим входами, реверсивный счетчик, элемент совпадения по "единице" и элемент совпадения по "нулю" с двумя входами каждый, при этом первый вход блока соединен через ключ и его сигнальный вход со счетным входом реверсивного счетчика, второй вход со знаковым входом указанного счетчика и одними из входов элемента совпадения по "единице" и элемента совпадения по "нулю", причем выход первого из них соединен с управляющим входом ключа, выход второго - с сбросовым входом реверсивного счетчика, выход которого соединен с другими входами указанных элементов совпадения по "единице" и по "нулю" и вы ходом блока. Блок преобразования кода в импульс запуска содержит первый, второй и третий одновибраторы, генератор пачки имлульсов с запускающим и сбросовым входами, счетчик импульсов и цифровой компаратор, при этом синхронизирующий вход блока соединен через первый одновибратор с запускающим входом генератора пачки импульсов, выход указанного генератора подключен к счетному входу счетчика импульсов, выход N + 1-го разряда которого соединен через второй одновибратор со сбросовыми входами генератора пачки импульсов, счетчика и вторым выводом Блока, выходы разрядов счетчика импульсов от первого по N-ый соединены с первой группой разрядных входов компаратора, другая группа разрядных входов которого соединена с кодовым входом блока, а выход компаратора соединен через третий одновибратор с первым выходом блока. Использование предлагаемого регулятора обеспечивает апериодический характер установления заданной температуры объектов с большой теплотой инерционностью, исключает существенные статические и динамические ошибки поддержания заданной температуры этих объектов и приводит к расширению области применения и повышению точности. Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых приведены, соответственно: На фиг. 1 - блок-схема устройства. На фиг. 2 - блок-схема согласующего блока. На фиг. 3 - блок-схема реверсивного счета импульсов. На фиг. 4 - блок-схема блока преобразования кода в импульс запуска. На фиг. 5 и 6 - эпюры напряжений. Регулятор температуры содержит термопреобразователь 1 и задатчйк 2. подключенные соответственно к первому и второму входам суммирующего усилителя 3, блок управляемых вентилей 4, нагреватель 5. преобразователь напряжение-частота б с частотным и знаковым выходами, согласующий блок 7. блок реверсивного счета импульсов 8, блок преобразования кода в импульс запуска 9, формирователь синхроимпульсов 10 и дифференциатор 11. Согласующий блок 7 содержит элемент задержки 12, элемент И 13, RS-триггер 14, два одновибратора 15 и 16, первый и второй соответственно. Первый вход элемента И 13 соединен со вторым входом блока, его второй вход - через элемент задержки 12 - с первым входом блока и через первый одновибратор 15 с входом сброса RS-триггера 14, выход которого подключен к третьему входу элемента И 13, соединенного своим выходом через второй одновибратор 16 с установочным входом RS-триггера 14 и выходом блока. Блок реверсивного счета 8 содержит ключ 17 с сигнальным и управляющим входами, реверсивный счетчик 18 со счетным знаковым и сбросовым входами, элемент совпадения 19 по "единице", выход которого соединен с управляющим входом ключа 17, элемент совпадения по "нулю" 20, вы ход которого соединен со сбросовым входом реверсивного счетчика 18, выход его соединен со входами элементов 19 и 20 и выходом блока. Блок преобразования кода в импульс запуска 9 содержит три одновибратора 21, 22 и 23 первый, второй и третий соответственно, генератор пачки импульсов 24 с запускающим и сбросовым входами, счетчик импульсов 25 и цифровой компаратор 26, при этом синхронизирующий вход блока соединен через первый одновибратор 21 с запускающим входом генератора пачки импульсов 24, выход которого подключен к счетному входу сче тчика импульсов 25. выход N + 1-го разряда которого соединен через второй одновибратор 22 со сбросовыми входами генератора пачки импульсов 24, счетчика импульсов 25 и вторым выходом блока, выходы N разрядов счетчика импульсов 25 соединены с входами одноименных разрядов одного из сравниваемых кодовых чисел цифрового компаратора 26. выходы одноименных разрядов другого из сравниваемых чисел указанного компаратора 26 соединены с кодовым входом блока. Выход цифрового компаратора 26 соединен через третий одновибратор 23 с выходом блока. Формирователь синхроимпульсов 10 может быть выполнен, например в виде последовательно соединенных аналогового компаратора, дифференцирующей цепочки и усилителя либо специализированных микросхем. Дифференциатор 11 выполнен на операционном усилителе по типовой схеме. Преобразователь напряжение - частота 6-четырехквадрантный и имеет два выхода - частотный и знаковый. По первому из них поступают импульсы, частота следования которых пропорциональна модулю входного аналогового сигнала. По второму выходу поступают сигнал логического нуля или единицы в зависимости от полярности входного аналогового сигнала. Такой преобразователь может быть выполнен, например, на основе аналогового интегратора, накопительный конденсатор которого коммутируется пороговым элементом, на основе перезаряжаемых конденсаторов и т.д. Элементы совпадения по "единице" и "нулю" 19 и 20 соответственно могут быть выполнены, например, с использованием диодовых сборок, включенных по схеме И, либо серийных цифровы х компараторов. Генератор пачки импульсов 24 может быть выполнен, например, по схеме закольцованных одновибраторов. Устройство работает следующим образом. Напряжения с выхода термопреобразователя 1 и с задатчика 2 поступают на суммирующий усилитель 3, откуда их разность попадает на вход преобразователя напряжение-частота 6. В указанном преобразователе формируется импульсный сигнал И f, подаваемый на его частотный выход, и знаковый сигнал Иz, подаваемый на его знаковый выход. Частота импульсов И f пропорциональна модулю входного аналогового сигнала преобразователя. Логический уровень сигнала И z характеризует полярность указанного аналогового сигнала. Пройдя временную селекцию в согласующем блоке 7, импульсы частотного выхода преобразователя напряжение-частота 6, сформированные вновь в виде импульсов И с, имеющих ту же частоту, что и исходные импульсы И f, поступают на первый, счетный вход блока реверсивного счета импульсов 8. На его второй, знаковый вход поступает сигнал И z со знакового выхода преобразователя 6. С помощью блока преобразования кода в импульс запуска 9 кодовое число блока реверсивного счета импульсов 8 преобразуется в интервал времени, отсчитываемый от момента перехода сетевого напряжения через нуль. Нулевому значению кодового числа соответствует минимальная величина указанного интервала. Момент начала отсчета задается синхронизатором, в качестве которого служит формирователь синхроимпульсов 10. Сформированный в блоке преобразования кода в импульс запуска 9 импульс И т, задержанный от момента перехода сетевого напряжения через нуль на указанный выше интервал времени, поступает на блок управляемых вентилей 4, приводит их в проводящее состояние, обеспечивая тем самым соответствующую мощность, выделяемую на нагревателе 5. При увеличении задатчиком 2 номинала температуры кодовое число на выходе блока реверсивного счета импульсов 8 уменьшается, увеличивается время проводящего состояния вентилей блока управляемых вентилей 4, растет температура, обеспечиваемая нагревателем. Пропорционально скорости роста температуры растет напряжение на выходе дифференциатора 11. При достаточно большой скорости роста температуры это напряжение по мере подхода температуры к заданному номинальному значению становится относительно разности напряжения задатчика 2 и термопреобразователя 1 преобладающим, что приводит к увеличению кодового числа на выходе блока реверсивного счета импульсов 8 и соответствующему снижению мощности рассеяния на нагревателе 5. Тем самым обеспечиваются условия для достижения заданной температуры без перерегулирования. Установившееся значение ошибки отработки постоянной температуры независимо от ее заданной величины стремится к нулю из-за интегрирующей функции накопленного кодового числа блока реверсивного счета импульсов 8. Согласующий блок работает следующим образом. Импульсы напряжения И f с частотного вы хода преобразователя напряжение-частота 6 поступают на элемент задержки 12. Задержка частотного сигнала относительно знакового сигнала того же преобразователя необходима для нормальной работы (исключения состязания) реверсивного счетчика блока 8. Задержанный сигнал И 1 подают на элемент И 13. На его второй вход заводят с блока преобразования кода в импульс запуска 9 строб-импульс И s, во время действия которого разрешается прохождение частотного сигнала преобразователя напряжение-частота 6 в блок реверсивного счета импульсов 8. Период повторения Тs импульсов И s определяется удвоенной частотой сетевого напряження, питающего нагреватель 5, и является величиной неизменной. Длительность импульсов И f преобразователя напряжениечастота 6, несинхронизированных со строб-импульсами И s, выбирают для надежности стробирования несколько большей периода следования строб-импульсов: t f ³ Ts + t s , где t s - длительность строб-импульсов. В исходном состоянии на третий вход элемента И 13 поступает сигнал логической единицы. Поэтому первый же строб-импульс Ив или его часть, совпадающая по времени с импульсом напряжения И, проходит на вход одновибратора 16 и запускает его. Сформированные им импульсы напряжения И с поступают на вы ход блока и на установочный вход RS-триггера 14. Своим передним фронтом импульс И с переводит напряжение И 2 выхода указанного триггера на уровень логического нуля, запрещая тем самым прохождение второго строб-импульса Иs либо его части, совпадающей по времени с импульсом И 1, через элемент И 13. Задний фронт импульса напряжения И 1 запускает одновибратор 15, который возвращает RS-триггер 14 в исходное состояние. Блок реверсивного счета импульсов 8 работает следующим образом. При замкнутом состоянии ключа 17 импульсы напряжения И с с выхода согласующего блока 7 поступают на счетный вход реверсивного счетчика 18 и заполняют его. Полному заполнению счетчика 18 соответствуе т минимальный интервал проводящего состояния вентилей блока 4. Чтобы исключить переполнение счетчика 18. когда единичные значения его разрядных выходов сменяются на нулевые и вентили блока 4 перейдут из почти закрытого во времени состояния в почти полностью открытое состояние, разрядные выходы реверсивнoго счетчика 18 подают на вход элемента совпадения по "единице" 19. На другой вход этого же элемента подают напряжение И со знакового выхода преобразователя напряжение- частота 6. Если единичному уровню напряжения И z соответствует функция сложения реверсивного счетчика 18, то в результате совпадения по этому уровню все х входных напряжений, подаваемых на элемент совпадения по "единице" 19, на его выходе формируется напряжение, размыкающее ключ 17. Заполнение реверсивного счетчика 18 прекращается. При смене потенциального уровня знакового напряжения И z - в данном случае на "нулевой" - реверсивный счетчик 18 переходит при принятых нами условиях в режим вычитания. Счетчик 18 разгружается, рассеиваемая на нагревателе 5 мощность увеличивается. Чтобы предельно большое время отпирания вентилей блока вентилей 4 скачком не перешло в свою противоположность, разрядные выходы реверсивного счетчика 18 и напряжение И z со знакового выхода преобразователя напряжение-частота 6 подают на элемент совпадения по "нулю" 20. При совпадении указанных напряжений по своему логическому значению - в данном случае по "нулю" - на выходе элемента 20 образуется напряжение, соответствующее команде сброса реверсивного счетчика 18. В этом состоянии сброса счетчика 18 будет на ходиться до смены логического уровня напряжения И z. В итоге такой работы блока кодовое число на реверсивном счетчике 18, и, следовательно, на выходе блока, оказывается ограниченным по минимуму, например, по уровню нуля, и по максимуму, например, по уровню N двоичных разрядов. В результате этого исключаются случае граничных переходов состояний вентилей одноименного блока 4. 'Блок преобразования кода в импульс запуска 9 работает следующим образом. На синхронизирующий вход блока 9 поступает синхронизирующее напряжение И о импульса перехода сетевого напряжения через нуль с выхода формирователя синхроимпульсов 10. На его другой, кодовый вход, поступает кодовое число в виде напряжений с N-разрядов реверсивного счетчика блока 8. Нулевому значению этого числа соответствует минимальная задержка импульса включения вентилей блока 4, т.е. максимальный, в пределе равный p радиан, угол отпирания. Известно, однако, что при синусоидальном напряжении питания нагревателей 5 рассеиваемая на них мощность в зоне малых ( £ 0,1 ) и больших ( ³ 0 ,9 ) углов отпирания меняется незначительно. С другой стороны, в этих граничных областях значений углов отпирания затрудняются условия включения тиристоров - наиболее распространенных вентилей. В связи с этим блок преобразования кода в импульс запуска 9 работает таким образом, чтобы формируемый им импульс включения вентилей И т не приближался бы ближе, чем, например, на 0,1 периода, к синхроимпульсам И о. Ограничение угла о тпирания по максимуму обеспечивается введением минимально допустимой задержки выходного импульса Ит относительно синхроимпульсов И о. Для этой цели указанные синхроимпульсы подают на одновибратор 21, формирующий импульсы И з длительностью t 0 . Своим задним фронтом импульсы И з запускают генератор пачки импульсов 24, с которого импульсная последовательность И 4 поступает на счетный вход синхронного счетчика блока 25. При заполнении его N разрядов перепадом напряжения с выхода следующего, (N + 1)-го разряда, запускается одновибратор 22, формирующий импульсы И s, срывающие колебания в генераторе пачки импульсов 24 и сбрасывающие на нулевой уровень выходные напряжения синхронного счетчика блока 25. Импульсы И s одновременно подают на выход и далее в качестве стробирующи х на согласующий блок 7. Число N разрядов реверсивного и, соответственно, синхронного счетчиков выбирают, исходя из желаемой дискретности задания температуры. Частоту генератора пачки импульсов выбирают из условий выхода импульса заполнения синхронного счетчика блока 25 за необходимое время до поступления очередного синхроимпульса И о. Кодовые числа синхронного счетчика сравнивают на цифровой компараторе 26 с кодовым числом блока реверсивного счета импульсов 8. В момент совпадения чисел на выходе компаратора формируется перепад напряжения, длящийся до момента нарушения этого равенства. Применительно к данному устройству такое равенство, в частности, может длиться от момента формирования строб-импудьса И s до начала работы генератора пачки импульсов. Поэтому для подачи команды включения вентилей блока 4 используют момент завершения выхода сигнала равенства кодов с выхода цифрового компаратора 26. Это реализуют с помощью одновибратора 23, срабатывающего по заднему фронту указанного сигнала. В изготовленном образце преобразователь напряжение-частота выполнен на интеграторе с зарядным сопротивлением R = 200 к и накопительной емкостью С = 2,2 мкФ, включаемой по уровню ±0,3 В выходного напряжения интегратора. Длительность импульсов: t f = 13m s , t c = 0,5m s , t 0 = 0,5m s , t s = 0,4m s . Частота импульсов генератора пачки импульсов - 1,1 кГц. Число разрядов счетчиков N = 10. Вентиль - симметричный триодиый тиристор (симистор) КУ208Г. Дифференциатор имеет регулируемый вход, его постоянная времени - 120 сек. Устройство содержит 9 транзисторов и 21 микросхему, из которых 18 типа КМОП, что позволяет его запитывать от источников серийно выпускаемых терморегуляторов, например, типов Ш4538, Ш4541. Изготовленный образец устройства предназначен для диапазона температур до 3000С с дискретностью задания температуры 0,30С.