Регулятор температури

союз СОВЕТСКИХ S I L 1403023 СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИК QQ4 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ О 05 D A1 23/19 К ПАТЕНТУ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ( 2 ! ) ftOl U63/24-24 . (22) 14,0К86 (46) 15.06.88. Бюл. * 22 (72) Л.А.Демидов (53) о21.555.6(038.8) (56) Коленко Е.А. Термоохлаждакнцне приборы. Л., 1967, с . 166-169. Дидурнк В.А. и др. Электронная промышленность* Вьет. 11(128), 1983, с . 48. (54) РЕГУЛЯТОР 1ЕМПЕРАТУРЫ (57) Изобретение может быть использовано для программного регулирования температуры с помощью термоэлектрической батареи. Цель изобретения повышение точности и надежности. Регулятор содержит последовательно соединенные датчик температуры 1 объекта 2, аналого-цифровой преобраао и о СО о го со 1603023 влтель 3, вычислительное устройство 4, преобразователь код-фаза 19, элемент И }8 f . тиристорЕый стабилизатор тока (9, 10), термоэлектрическую батарею 7, два аналоговых ключа 5, 6. Импульсный сигнал с выхода элемента сравнения стабилизатора тока проходит на схему управлення тиристорного выпрямителя 9, являющегося силовой частью стабилизатора тока, через второй вход элемента И 18. В регуляторе тиристорный выгрямитель охватывается отрицательней обратной связью по току и через термобатарею протекает стабилизируемый ток, величину которого устанавливают оптимальной в зависимости от выбранного одного из двух режимов работы тер мобатареи - максимальной холодопро— изводительности или максимальной эффективности. Затем происходит обрыв отрицательной обратной связи по току и устанавливается отрицательная обратная' связь по температуре, и устройство начинает работать как регулятор температуры. Обрыв отрицательной обратной связи по току в режиме стабилизации температуры исключает автоколебательный режим в системе, возникающий за счет наличия порога чувствительности по управляющим электродам тиристоров, что позволяет снизить максимальную ошибку регулирования и повысить надежность работы устройства, 1 з.п.- ф-лы, Л ил. 1 Изобретение относится к системам автоматического управления, а именно к термоэлектрическому приборостроению и может быть прдаенено для программного регулирования температуры. Целью изобретения является повышение точности и надежности регулятора. На чертеже представтзена блоксхема регулятора температуры. Регулятор температур*; содержит последовательно соединенные датчик 1 температуры, расположенный на объ*екте 2» температура которого регулируется', аналого-цифровое преобразователь 3 н вычислительное устройство А, одни из выходов которого подключен « управляющим входам аналоговых ключей 5 и 6, выходы которых соединены с входами термоэлектрической батареи 7, находящейся в тепловом контакте с объектом 2 регулирования, источник 8 переменного напряжения, управляемый тирнсторнын выпрямитель 9, фильтр 10 ннзхях частот, образцовый резистор И , формирователь 12 импульсов, генератор 13 пилообразного напряжения, синхронизирующий вход которого соединен с третьим выходом формирователе 12, а выход - с первым входом аналогового элемента 14 сравнения, тенлителъ 15, эадатчнк 16 тока, нуль-орган 17, вы ходом соединенный с одним из входов элемента И 18, и преобразователь 19 код - фаза. Источник 8 переменного капряжения выполнен в виде трансформатора, первичная обмотка 20 которого подключена к сетевому напряжению,- при этом выводы первой вторичной обмотки 21 являются первым выходом источника 8, одни нэ контактов второй 22 и третьей 23 вторичных обмоток соединены с шиной нулевого потенциала, а другие контакты являются соответственно вторым и третьим выходами источника 8. Формирователь 12 содержит диоды 24 и 25, аноды которых являются соответственно первым н вторым входами формирователя 12, а катоды подключены через резисторы 26 н 27 к базам транзисторов 28 и 29 соответственно, эмиттеры которых соединены с шиной нулевого потенциала, а коллекторы , соответственно через резисторы 30 н 31 подключены к шине положительного потенциала* Кроме того, формирователь 12 содержит два трехвходовых элемента И 32 и 33, один двухвходовой элемент И 34 и генератор 35, Генератор пилообразного напряжения выполнен в виде интегратора на операционном усилителе 36, в отрицательную связь которого включен койденсатор 37, зашунтированный анало 5 10 15 __ 25 30 1403023 говым ключом 38, причем инвертируюаналого-цифровом преобразователем 3 щий вход операционного усилителя 36 в цифровой код, поступающий на РЫ— через резистор 39 соединен с шиной числительное устройство 4 . Вычнсположительного потенциала, а неинверлительное устройстов 4 по программе, тирующий вход - сшиной нулевого позаписанной в его память, производит тенциала. При этом выход операционобработку поступившей информации и ного усилителя 36 и управляющий вход выдает на выходы цифровой код упаналогового ключа 38 явлвются соотразляюйего сигнала, соответствуюветственно выходом и входом генера10ВДИЙопределенному закону регулнроватора 13 пилообразного напряжения. вання. При этом напряжение на выхо-" Аналоговый элемент 14 сравнения де вычислительного устройства, с о выполнен в виде резисторов 40, 41 ответствующее сигналу полярности и 42, причем первые выводы резисторассогласования заданной в. данный ров 40, 41 и 42 являются соответст15 временной интервал температуры в т е венно первым, вторым и третьим вхокущей реальной температуры объекта дами элемента 14 сравнения, а вто2, коммутирует аналоговые ключи 5 и рые выводы этих резисторов соединены 6 так, чтобы через термобатарею 7 между собой и являются выходами протекал ток такого направления, при элемента 14 сравнения. 2о котором это рассогласование •стремит- Усилитель 15 выполнен на опера- ся уменьшиться до нуля.Выходной код оноином усилителе 43 с резистором 44 вычислительного устройства 4 постув цепи обратной связи, причем инверпает на входы предварительной устатирующий вход усилителя 43 подклюновки счетчика 4 8 . Одновременно с е чен к одному из выводов резистора 45 25 тевое напряжение трансформируется и является входом усилителя 15, а нетрансформатором источника 8 переменинвертирующий - к шине нулевого поного напряжения. Напряжение с его тенциала. Выход операционного усиливторичных обмоток 22 к 23 поступает теля 43 является выходом усилитена первый и второй входы формнроваля Ї 5. 30 теля 1 2. Однополуперкодные выпрямители на диодах 24 и 25 пропускают Задатчик ib тока выполнен в виде * через ограничительные резисторы 26 потенциометра 46, выводы которого и 27 на базы транзисторов 28 и 29 подключены к шине источника положисигналы» которые усиливаются и огрательного потенциала и шине нулевого ничиваются транзисторами 28 и 29, Сигпотенциала, а движок является выхо35 налы с точек соединения резистора дом задатчика 16. 30 и коллектора транзистора 28, а Нуль-орган 17 выполнен на опера-также резистора 31 и коллектора транционном усилителе 47, причем неинверзистора 29 поступают на входы э л е тирующий вход операционного усилитемента И 34. При этом на выходе элеля 47 соединен с шиной нулевого по40 мента И 34 формируется сигнал, к о тенциала, инвертирующий вход являторый/ является синхронизирующим для ется входом нуль-органа 17, а выходработы преобра-зователя I 9 код — фаза - выходом нуль-органа 17. и генератора 13 пилообразного напряПреобразователь 10 код • фаза содержит- счетчик 48 с логической схемой 45, жения с удвоенной частотой сетевого 'напряжения. Этот сигнал с третьего предварительной установки, информавыхода формирователя, поступая на ционные входы параллельной записи синхронизирующий вход преобразовакоторого являются входами преобразотеля 19 код - фаза и далее на R-вход вателя 19 код - фаза, генератор 49, подключенный к счетному входу счетчи— 5О RS-триггера 50, устанавливает в нака 48 и RS-трнггер 50, вход которого чале каждого полупериода сетевого соединен с выходом прямого переноса напряжения выход триггера 50 в нулесчетчика 48. вое состояние. Одновременно этот сигнал поступает на управляющий вход Регулятор работает следующим об55 предварительной записи счетчика 48 разом. и записывает выходной код вычислительИзменение температуры объекта реного устройства, поступающий на вхогулирования преобразуется датчиком ды преобразователя,19 код - фаза в 1 в электрический сигнал и затем его счетчик 48, ї403023 E это воемя на счетный вход счетнего потенциала, в результате личика 48 поступает импульсный сигнал нейно изменяется напряжение на выс генератора 4 9 . При переполнении сні— ходе генератора ! 3 пилообразного нал переноса с выхода счетчика 48 понапряжения. В кечект окончания полуступает на S-вход триггера 50 и н е периода сетевого напряжения единичребрасывдег сигнал на его выходе в ный импульс с третьего выхода форединичное состояние, э котором он мирователя 12 вновь замыкает ключ будет находиться до следус^его полу— 38, что приводит к мгновенному р а з ПерИОДЗ сетеВОГО НаПрРЖеННЯ. | ряду конденсатора 37 и падению до Таким образом, на выходе формиронуля выходного напряжения генерал вателе 19 код - фаза 19 в течение тора 13» Далее процесс повторяется. каждого полуяериода сетевого напряТаким образом формируется сигнал жения формируется единичный импульс, пилообразного напряжения, период момент появления переднего фронта ко- J5 которого синхронизирован с полупеторого определяется значением кода на риодом сетевого напряжения. Он п о ступает на первый вход аналогового входе преобразователя 19 код — фаза. элемента 14 сравнения и определяПря этом времв t , праведнее от начала лериода до момента появлення едиет величину тока, протекающего ч е ничного импульса и определяемое из 20 рез резистор 4 0 . равенства n e = n x + t f o , где п„ - р а з Одновременно с выводов вторичной рядность счетчика 48, пк - значение обмотки 21 трансформатора источника кода на входе преобразователя 19 код 8 переменного, напряжения, являющихфаза, Та -частота генератора 49, ся его первьм в вторым выходами, на равно -. 25 первый н второй входы тиристорного выпрямителя 9 поступает переменное напряжение с частотой сетевого н а пряжения . Из последнего выражения видно, что При поступлении сигнала запуска при значительном рассогласовании ре30 тиристоров на управляющие входы выг>лируемой температури н заданной прямителя 9 на его выходе протекает и соответствующем ему управляющем пульсирующий ток, который сглаживасигнале болысой величины, т . е . больется при помощи фильтра 1С нижних шом значении кода на выходе вычисчастот. Постоянный ток с выхода фкльтлительного устройства 4, значение 35 ра Ї0 посредством соответствующей времени будет мало. коммутации аналоговых ключей 5 и 6, При этом на выходе преобразоватеуправляемых выходом вычислительного ля 19 код - фаза формируются импульустройства 4, протекает через т е р сы значительной длительности, котомобатарею 7 в таком направлении, при рые, поступая на вход элемента fl 18, 40 котором температура объекта 2 стреразрешают на время, определяемое мится к заданному значению. При этом этой длительностью, прохождение сигна образцовом резисторе J1 падает нала на вход элемента Й 18 с второнапряжение, пропорциональное значего его входа, подключенного к выходу нию тока, протекающего в термобатануль-органа I 7 . 45 Р^е, причем его полярность не зависит от направления тока через термоСигнал с третьего выхода формибатарею, так как резистор 1) подклюрователя 12 поступает аа управляючен к выходу выпрямителя 9 до аналощий вход аналогового ключа 38, вхоговых ключей 5 и 6 . Это напряжение дящего в состав генератора 13 пнлообрабатываищего напряжения, замыка50 подается на инвертирующий вход операционного усилителя 43 с резистоет ключ 38, куитируя конденсатор 37 ром 44 в цепи отрицательной обратна время, определяемое длительноной связи через резистор 4 5 . Выходстью единичного импульса на его упное напряжение операционного усилиравляющем входе, при этом сигнал на выходе операционного усилителя 36 ста* 55 теля 43 подается на второй вход аналогового элемента 14 сравнения и о п новится равным нулю. При размыкания ределяет значение тока і^ через р е аналогового ключа 38 начинается заряд зистор 4^ элемента \4 сравнения. На» конденсатора 37 током, проходящим ч е третий вход элемента І 4 поступает нарез резистор 39 от шины лоложнтель V 1403023 пряжение с движка потенциометра 46, образцовом резисторе 11, т . е . измевходящего в состав эадатчнка 16 нится соотношение напряжений на вхотока» которое определяет величину де аналогового элемента 14 сравнения, тока i j . через резистор 42, что приведет к такому изменению моВ точке соединения резисторов 40, мента формирования импульса запуска 41 и 42 токи» проходящие через них, на выходе нуль-органа 17, при котосуммируются н в момент равенства нуром ток выпрямителя 9 примет перволю их алгебраической суммы на выходе начальное значение. нуль-органа 17 формируется единичный 10 Таким образом, при переходном продапулъс» длительность которого ограцессе регулирования температуры, когничивается моментом окончания полуда текущая температура объекта супермода сетевого напряжения, при к о щественно отличается от заданной и тором происходит скачкообразное умень длительность импульсов на выходе препение до нуля напряжения на выходе 15 образователя 19 код - фаза больше генератора J3 пилообразного напряжедлительности импульсов с выхода нуль— ния, что и возвращает выход нуль-ороргана, регулятор работает в режиме гана 17 в исходное нулевое состояние. стабилизатора тока термобатареи, пряТак как выходной сигнал генератора 13 чем величину стабилизируемого тока пилообразного напряжения имеет периможно устанавливать изменением од» равный полуперноду сетевого навыходного напряжения задатчика \& пряжения, на выходе нуль-органа 17 тока. Это позволяет устанавливать я такте формируется импульсная последоподдерживать в соответствии с конвательность единичных импульсов с пекретными параметрами термобатареи оприодом, равным полуперноду сетевого 25 тимальные режимы работы термобатареи напряжения. Эта последовательность во время переходных процессов регулипоступает на вход элемента И 18 и рования температуры. вследствие того, что длительность ее^ По окончании переходного процесса импульсов меньше длительности имрегулирования тенпертуры, когда ее пульсов сигнала аа втором входе элемента И 18 с выхода преобразователя 30 текущее значение приближается к заданному, величина управляющего сигнала 19 код - фаза, проходит на выход на выходе вычислительного устройства элемента И 18 и далее на третий 4 начинает уменьшаться в соответствход формирователя Ї2, соединенный вии с выбранным законом регулироваС первьмн входами элементов И 32 и ния, что приводит к уменьшению дли33, На вторые входы элементов И 32 тельности импульсов на выходе преобя 33 поступает импульсный сигнал с разователя 19 код - фаза. В момент, генератора 35, а на третьи — сигкогда длительность импульсов на выналы с коллекторов транзисторов 28 я ходе преобразователя Ї9 код - фаза 29. В результате на первом и втором выходах формирователя 12 форми- 40 становится меньшей длительности импульсоы на выходе нуль-органа 17, руются импульсные сигналы. Генерана BXOJD; элемента И Ї8 начинает протор 35 служит для создания пачек ходить сигнал с выхода преобразоватеимпульсов в сигнале запуска тирисля 19 код - фаза,, так как при прихоторного выпрямителя. де на входы элемента И 18 двух син45 хронизированных импульсных последоТаким образом» ток через термовательностей с выходов нуль-органа батарею 7 определяется соотношением 17 н преобразователя 19 код - фаза напряжений на выходах генератора 13 с одинаковым периодом следования едипилообразного напряжения, образцовоничных импульсов, равным полупериого резистора 11 и задатчика 16 тока. 50 ду сетевого напряжения, задние фронПри постоянном уровне сигнала на выты которых совпадают» сигнал логичеходе задатчика 16 тока через батарею ской единицы будет присутствовать 7 автоматически за счет отрицательна обоих входах только с момента приной обратной связи по току устаналнхода переднего фронта импульса мень^вается-величина тока, соответствую55 шей длительности до окончания полущая заданному. При отклонении значепериода сетевого напряжения. Прихония тока термобатареї* 7 от заданного дящий с преобразователя 19 код например при изменении сетевого нафаза через третий вход формирователя пряжения, изменится и напряжение на Ъ *C" 10 . 1ІП3023 Какое бы малое значение не прини12 сигнал с меньиіей (чем ранее) длимала величина сигнала с выхода вытельностью импульсов уменьшит величислительного устройства, в регулячину тока выпрямителя 9, протекаюторе не возникает бросков тока через щего через термобатарею 8, Это приветермобатарею, что по сравнению с дет к уменьшению напряжения на обустройством-прототипом повышает наразцовом резисторе і I и соответству— дежность работы регулятора при одно«нему увеличению* длительности импульвременном повышении точности регулисов на выходе нуль-органа І 7 для в о с становления первоначального значения 10 рования, особенно при незначительных возмущакших воздействиях, за счет тока. Однахо вследствие того, что устранения температурных пульсаций длите ль кость импульсов на выходе рабочей поверхности термобатареи, ,' куль-органа 17 станет еще больше, обусловленных бросками тока, прохочем длительность импульсов на выходе преобразователя 19 код — фаза, 15 дящими через нее. сигнал г выхода нуль-органа 17 не Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я пройдет на выход элемента И 18. В 1. Регулятор температуры, содержаэтом случае на выход элемента И Ї8 щий последовательно соединенные датбудет поступать сигнал с выхода пречик температуры объекта, аналого-цифобразователя 19 код - фаза, т . е . 2о ровой преобразователь, вычислительоборвется обратная связь по току и ное устройство и цифро аналоговый преустановится отрицательная обратная образователь, а также источник пересвязь по температурным параметрам менного напряжения, к первому выходу объекта регулирования. которого подключен вход управляемо— 9 При этом величина тока регулируется управлямцим сигналом с выхода вычислительного устройства 4, зависящим от параметров процесса установления реальной температуры объекта"2 заданного уровня. Таким образом,- при переходном процессе регулирования температуры устройство работает в режиме стабилизации тока. Начальное значение .тока устанавливается задатчиком тока в соответствии с конкретными параметрами используемой в качестве исполнительного элемента термоэлектрической батареи определенного типа таким,» чтобы термобатарея работала в одном из двух оптимальных режимов; максимальной холодопррнзводительностн, что сокращает время переходного процесса и увеличивает диапазон регулируемых температур, или максимального холодильного коэффициента, прн котором достигает максимума экономичность работы регулятора. При приближении реальной температуры к заданг ной ток через термобатарею становится зависимым от выходного сиг- нала вычислительного устройства, который, в свою очередь, зависит от параметров процесса и з менения температуры объекта, что позволяет реализовать в вычислительном устройстве оптимальные алгоритмы регулирования и добиться высокого качества регулирования. 25 го тиристорного выпрямителя, выход которого соединен с входом фильтра нижних частот, к первому выводу кото— • рого подсоединены первый вход п е р вого и второй вход второго аналого— 30 в ы х ключей, а к,второму выводу, с о е диненному с шиной нулевого потенциала, через образцовый резистор подключен второй вход первого и первый вход второго аналоговых ключей, управляющие входы которых соединены Зс с выходом знака кода вычислительного устройства, выходы первого и второго аналоговых ключей соединены .соответственно с первым и вторым входами 40 термоэлектрической батареи, находящейся в тепловом контакте с объектом регулирования температуры, формирователь импульсов, первый и второй-входы которого подключены соответственно к второму и третьему выходам н с 4 5 точников переменного напряжения, первый и второй выходы — соответственно к первому и второму управляющим входам управляемого тиристорного выпрямителя, третий выход - к входу г е 50 нератора пилообразного напряжения, • причем выход последнего соединен с первым входом аналогового элемента сравнения, второй вход которого под„ ключей через усилитель к выводу образцового резистора, третий вход - к задатчику тока, а выход - к входу нуль-органа, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности II 1403023 и надежности регулятора, в него введен элемент И, один из входов которое го подключен к выходу нуль-органа, другой вход - к выходу цифроаналого- вого преобразователя, выход - к третьему входу формирователя импульсов, а цнфроаналоговый преобразователь выполнен в виде преобразователя код фаза, синхронизирующий вход которого fQ соединен с третьим выходом формирователя импульсов. 2, Регулятор по п. 2, о т л и ч аю щ и Й с я тем, что преобразователь * 12 код - фаза содержит счетчик, информационные входы установки которого являются входами преобразователя код фаза, генератор, подключенный к счетному входу счетчика, и FS-триггер, S-вход которого соединен с выходом переполнения счетчика, В-вход - с управляющим входом предварительной установки счетчика н является синхронизующим входом преобразователя код - фаза , а выход тригге ра — выходом преобразователя кодфаза % I t Составитель Л, Птенцова Редактор А. Лежнина Техред А.Кравчук Корректоре, Черни Заказ 2858/38 Тираж 866 Подписное • В И П Государственного комитета СССР НИИ по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская н а б . , д . 4/5 Производственно-полиграфическое предприятие, г . Ужгород, ул. Проектная, 4 / •*•