Электроника является универсальным и исключительным средством при решении проблем в самых различных областях. Сфера её применения постоянно расширяется. Практически каждая достаточно сложная техническая система оснащается электронными устройствами. Трудно назвать технологический процесс, управление которым осуществлялось бы без неё. Функции устройств, становятся всё более разнообразными. Наилучшим радиотехническим устройством является то, которое можно и не замечать, но оно при этом само будет выполнять все необходимые функции. Одним из таких является электронный регулятор температуры.
Очень важно не только знать величину температуры, но и управлять ею. Например, во многих сферах промышленности, сельского хозяйства, да и просто в жизни, требуется поддерживать определённую температуру для процессов производства, либо для поддержания нормального функционирования узлов, т.к. всем известно, что изменение температуры в большую или меньшую сторону ведёт к порче устройств, либо, объектов для регулирования которых применяются эти устройства.
Термометр (греч. И Эсмз — тепло и мефсЭщ — измеряю) [1] — прибор для измерения температуры воздуха, почвы, воды и так далее.
Рассмотрим термометры бытового назначения. Существует несколько видов термометров, среди которых: жидкостные, механические, электрические:
1. Жидкостные термометры основаны на принципе изменения объёма жидкости, которая залита в термометр (обычно это спирт или ртуть), при изменении температуры окружающей среды.
2. Механические термометры действуют по тому же принципу, что и жидкостные, но в качестве датчика обычно используется металлическая спираль или лента из биметалла.
3. Принцип работы электрических термометров основан на изменении сопротивления проводника при изменении температуры окружающей среды. Электрические термометры более широкого диапазона основаны на термопарах (контакт между металлами с разной электро отрицательностью создаёт контактную разность потенциалов, зависящую от температуры).
Главное преимущество использования электронного термометра является возможность контролировать температуру на расстоянии. Если нужно контролировать температуру, например, в подвале дома, на чердаке или в любом подсобном помещении, обычный ртутный (спиртовой) или механический термометр вряд ли подойдет, т.к. будет проблематично постоянно выходить из комнаты, только чтобы взглянуть на шкалу термометра. Более пригоден в подобных случаях электронный термометр, позволяющий измерять температуру дистанционно — на расстояниях в сотни метров. Причем в контролируемом помещении будет располагаться лишь миниатюрный термочувствительный датчик, а в комнате на видном месте — ЖКИ, отображающий текущую температуру.
Жидкостные и манометрические термометры
... При изменении температуры объем жидкости изменяется, вследствие чего мениск жидкостного столбика в капилляре поднимается или опускается на величину, пропорциональную изменению температуры. В зависимости от предела измерения температур для заполнения термометров, применяют ...
1. Назначение и область применения
Устройство предназначено для регулирования выявления отклонений от нужной в данной области применения температуры и предотвращения её критического изменения. Если температура объекта слежения понижается или повышается, регулятор должен зафиксировать это изменение и привести температуру в норму, после чего поддерживать её постоянной до момента, когда потребуется изменить значение температуры.
Область применения терморегулятора достаточно широка. Его можно применить, например, в медицинском холодильнике для поддержания постоянной температуры хранения лекарств, либо в сельскохозяйственных погребах для управления температурой среды, дабы предотвратить порчу продуктов. Применение терморегулятора возможно в инкубаторах, т.к. отклонение температуры хотя бы на один два градуса ведёт к необратимым последствиям и большим финансовым потерям. Так же регулятор можно применять в совокупности с бойлерами, если в них такового не предусмотрено, тогда регулятор позволит регулировать температуру воды. Другие области применения терморегулятора это, к примеру, промышленность. В промышленности для получения качественного асфальта нужно постоянно поддерживать температуру на уровне 500С, терморегулятор может применяться для регулирования температуры печей, для слежения за температурой двигателей и предотвращения их перегрева, так же может применяться для слежения за температурой в цехах производства и обеспечивать комфортную работу персонала.
терморегулятор схема электронный цифровой
2. Системы регулирования температуры
Температура — показатель термодинамического состояния процесса. Постоянство температуры свидетельствует о соблюдение теплового баланса в аппарате.
Уравнение теплового баланса в общем виде имеет вид:
- где — изменение количества тепла в аппарате в единицу времени;
- QПР — количество тепла преобразования в единицу времени.
Системы регулирования температуры.
1. Системы регулирования температуры, как выходной координаты тепловых объектов. В тепловых процессах температура является показателем эффективности системы. Основные структуры системы регулирования: одноконтурная, каскадная, комбинированная.
Одноконтурная система регулирования температуры в кожухотрубчатом теплообменнике.
Такая система используется, если объект обладает малой инерционностью, и по параметру управления не действуют сильные возмущения.
Комбинированная АСР для кожухотрубчатого теплообменника с динамическими компенсаторами, подключенными на вход объекта.
2. АСР температуры, как показателя качества физико-химических процессов. Температура используется, как косвенный параметр. Основные структуры системы регулирования: одноконтурная, каскадная, комбинированная, системы связанного и несвязанного регулирования.
Одноконтурная система регулирования температуры в процессе сушки.
Температура характеризует движующую силу процесса, а также используется как косвенная характеристика показателя эффективности процесса:
Т = ¦(wСМ)
где wСМ — влажность сухого материала, как показатель эффективности сушки.
Автоматические системы управления
... систем автоматического управления и контроля» явилось следствием накопления большого объёма материала, посвященного исследованиям различных устройств автоматики и его систематизации, которая впервые в нашей стране проведена 1. История развития ... трения в регуляторах и изучил некоторые процессы импульсного регулирования. В первые десятилетия ХХ века теория автоматического управления, вышедшая за ...
Точка снятия сигнала о температуре (ТБ) — первая треть барабана. Канал управления: GT ® ТБ
Каскадная АСР температуры с основным контуром по температуре отработанного сушильного агента
3. Регулятор температуры прямого и непрямого действия
Для любой отопительной системы основной задачей является поддержание уровня комфортности температуры в отапливаемой емкости, трубопроводе, помещении. Поддерживать необходимую температуру можно разными способами, однако, самым распространенным является способ, основанный на применении специальных устройств — регуляторов температуры.
Регулятор температуры или, по-другому, терморегулятор — это прибор, который предназначается для регулирования и поддержания заданной температуры среды в движении (трубопровод) и статике (бак, аквариум, и др.).
На современном этапе развития техники, в системах отопления, водоснабжения, вентиляции и др, используются терморегуляторы двух принципиально разных типов:
- Прямого действия,
- Непрямого действия.
И если регуляторы температуры непрямого действия — это в основном электронные приборы, в которых для активации регулирующего температуру механизма используется энергия от какого-либо внешнего источника, и разобраться в их строении достаточно сложно, то регуляторы прямого действия — это механические устройства.
1) В общем виде, устройство регуляторов температуры непрямого действия можно описать схемой: датчик температуры — электронный блок обработки и регулировки — регулирующий механизм подогрева/охлаждения. Терморегуляторы непрямого действия могут быть скачкообразного и плавного действия.
— Регуляторы температуры непрямого скачкообразного действия — это регуляторы типа «on/off». В таких терморегуляторах используется либо запорный клапан, либо нагревательный элемент, который отключается, как только температура на датчике достигает некоторого, заранее заложенного значения, и включается при понижении температуры на определенное количество градусов (запорный клапан, аналогично, либо открыт, либо закрыт — горячая или холодная среда поступает/не поступает в емкость).
Такие терморегуляторы называют релейными, а их основные недостатки — повышенное потребление энергии, невысокая точность и температурная амплитуда.
Регулятор температуры непрямого скачкообразного действия.
— Регуляторы температуры непрямого плавного действия подразделяются на пропорциональные и PID-регуляторы. Применение пропорциональных регуляторов температуры непрямого действия позволяет избежать циклических колебаний температуры при снижении средней потребляемой мощности терморегулятора. PID-регулятор представляет собой настраиваемый пропорциональный регулятор с двумя дополнительными настройками, что позволяет ему автоматически оперативно компенсировать малейшие изменения температуры в различных системах небольшой массы и объема с низкой инерционностью.
2) Регуляторы температуры прямого действия для активации регулирующего механизма получают энергию, непосредственно, от чувствительного элемента, при этом, присутствие дополнительных источников энергии для регуляции не требуется, что является особенно важным в промышленности, на производствах и сфере коммунального хозяйства.
Классификация регуляторов
... состоянию системы. Это вызывает колебательный режим работы регулятора и динамическую ошибку регулирования. регулятора непрямого действия На работу регулятора не влияют здесь и капиллярные силы, ... при пятидесятипроцентном открытии У1. В результате регулирование и регулятор называют двухпозиционными. В регуляторах такого типа происходит квантование, т.е. преобразование регулирующего воздействия ...
Регулятор температуры прямого действия (РТП).
Для поддержания заданной температуры среды в системах судовых дизелей широкое применение получили РТП различных модификаций.
Конструкции двух таких регуляторов приведены на рис.
Внутри одного из них (рис.) между корпусом 13 и крышкой 3 установлено седло 1 с кронштейном 10. Количество охлаждаемой среды, направляемой в охладитель и на перепуск, определяется положением стакана 2, клапан 7 которого опирается на седло 1, а клапан 12 — на гнездо в корпусе 13 регулятора.
При повышении температуры охлаждаемой среды объем жидкости в чувствительном элементе (сильфоне 8) увеличивается. Сильфон разжимается и, упираясь в бурт стакана 2, смещает его, растягивая пружину перегрузки 11 вниз. Проходное сечение верхнего клапана увеличивается, а нижнего — уменьшается. Большая часть охлаждаемой среды поступает в охладитель.
С понижением температуры среды сильфон 8 сжимается и пружина возврата 9 прикрывает клапан 7, направляя большую часть воды (смазочного масла) на перепуск, минуя охладитель.
Рисунок — Регулятор температуры прямого действия
Сильфон в верхней части связан со штоком 6, опирающимся на регулировочный винт 5. Вращением последнего терморегулятор настраивают на заданное значение температуры. После настройки положение винта стопорят контргайкой 4.
У регуляторов температуры второй модификации (рис. 32, б) чувствительный элемент состоит из двух: сильфонов 4, 6. Сила упругости первого может регулироваться винтом 3. В трехходовом корпусе 9 регулятора размещены золотник 8 с пружиной 10 возврата, и термобаллон 1, заполненный жидкостью с большим коэффициентом линейного расширения.
При отклонении температуры воды (смазочного масла) от заданного значения объем жидкости в термобаллоне меняется, сильфон перестановки 6 растягивается или сжимается. Шток 7 и пружина возврата 10, смещают золотник 8 вверх или вниз. С повышением температуры среды сильфон 6 сжимается и через шток 7, преодолевая силы натяжения пружины 10, сдвигает вниз золотник 8. Окно а в трехходовом корпусе 9 регулятора открывается, а окно б перекрывается. Большая часть охлаждаемой жидкости поступает в охладитель. В случае понижения температуры среды золотник пружиной возврата 10 сдвигается вверх и через открываемые окна б большую часть воды (смазочного масла) направляет на перепуск.
Высота подъема золотника в данном случае определяется зазором между донышками сильфонов 4 и 6. Заданное положение донышка сильфона настройки 4 устанавливают регулировочным винтом 3 через шток 5 и пружину 2. Для повышения степени чувствительности регуляторы некоторых модификаций имеют два термобаллона. Основной из них воспринимает изменения температуры охлаждаемой среды (воды, смазочного масла) на выходе из дизеля, а дополнительный — изменение температуры воздуха, окружающего дизель.
При увеличении температуры воздуха объем заполнителя дополнительного баллона увеличивается, и часть заполнителя перетекает в основной баллон, дополнительно перемещая золотник вниз.
Принципиальная схема регулятора температуры воды.
Метод регулирования устройства двухпозиционный. Включение и отключение тэнов происходит с помощью контактов реле. Устройство не имеет сетевого трансформатора, снабжено контрольной лампочкой, потенциометром, служащим для установки требуемой температуры и датчиком температуры, роль которого выполняет биполярный транзистор.
Бесконтактные регуляторы напряжения
... измерительные трансформаторы постоянного тока, стабилизаторы напряжения, регулируемые трансформаторы, датчики положения и другие специальные схемы магнитных усилителей. 1 Бесконтактные полупроводниковые реле Основными элементами бесконтактных полупроводниковых электрических аппаратов являются релейные и импульсные ...
Рисунок Принципиальная схема регулятора температуры воды
Рассмотрим работу схемы: на транзисторах V1 и V2 собран усилитель. Напряжение смещения на его входе регулируется переменным резистором R2. Проводимость транзистора V1 зависит от температуры его корпуса. Чем больше температура, тем больше проводимость перехода.
При подаче на устройство питания и установке резистором R2 температуры заданного значения срабатывает реле и своими контактами подаёт сетевое напряжение на тэны. Начинается подогрев воды. При достижении заданной температуры проводимость транзистора V1 изменяется, что приводит к закрыванию транзистора V2 и отключению реле. Вода начинает остывать. Достигнув определённой температуры реле снова включается и процесс повторяется. Температура колебания воды составляет не более -5, +5 градуса. На диодах Д1-Д3 собран стабилизатор напряжения, служащий для исключения сбоя настройки температуры, так как при срабатывании реле происходит небольшая посадка питающего напряжения, что заметно влияет на установочное значение температуры. C4 предотвращает проникновение помех на вход усилителя.
Питается устройство от сети переменного тока 220в. Через гасящие конденсаторы С3, С4 и шунтирующие диоды Д5, Д6 переменное напряжение поступает на диодный мост и стабилизируется стабилитроном +24в. Длина провода до датчика составляет не более 1м. При большей длине следует использовать экранированный провод. Плата с деталями монтируется в подходящем корпусе, на лицевую панель выводятся потенциометр, индикаторная лампочка и выключатель питания. Градуировку шкалы потенциометра необходимо выполнить по образцовому термометру от 20 до 100 градусов. При необходимости диапазон регулирования можно сместить, сузить или расширить с помощью ограничительных резисторов R1,R3.
Электронный регулятор температуры холодильника STINOL-104. , Рис. Принципиальная схема регулятора температуры холодильника STINOL
Он состоит из узла терморегулятора на микросхеме DA2, таймера задержки включения на транзисторе VT1 и элементах DD1.1, DD1.2, узла контроля напряжения сети на элементах DD1.3, DD1.4 и микросхеме DD2, исполнительного устройства на транзисторах VT2, VT3. Соединенные параллельно контакты реле К1 включены в цепь двигателя компрессора вместо контактов штатного терморегулятора холодильника.
Узел питания блока состоит из трансформатора Т1, выпрямителя (диодный мост VD1) и интегрального стабилизатора DA1 на напряжение 9 В. Чтобы изменение нагрузки на выпрямитель при срабатывании и отпускании реле К1 не влияло на работу узла контроля напряжения, предусмотрен резистор R27, подключаемый транзистором VT3 к выпрямителю, когда обмотка реле обесточена. Сопротивление резистора равно сопротивлению обмотки реле, поэтому потребляемый от выпрямителя ток остается неизменным.
Допустим, блок включен в сеть при номинальном напряжении 220В и узел контроля напряжения не оказывает влияния на его работу. Транзистор VT1 закрыт, конденсатор С2 разряжен, логический уровень на выходе элемента DD1.2 низкий, диод VD3 открыт, поэтому терморегулятор на ОУ DA2 заблокирован в состоянии, соответствующем низкой температуре в холодильной камере, следовательно, выключенному компрессору. Транзистор VT2 закрыт, реле К1 обесточено. Горят светодиоды HL1 «Блокировка» и HL5 «Пауза».
Электронный измеритель-регулятор температуры
... комнатной температуре говорит о разрядке батареи питания GВ1 и необходимости ее замены. Максимальное напряжение питания термометра определяется допустимым напряжением питания ОУ (для микросхем К140УД12 U MAX =15В) или допустимым напряжением сток-затвор транзистора ...
Через 5 мин после зарядки конденсатора С2 через резистор R2 до порога переключения триггера Шмитта на элементах DD1.1, DD1.2 уровень на выходе последнего станет высоким, диод VD3 будет закрыт и терморегулятор получит возможность работать. Светодиод HL1 погаснет.
С повышением температуры в холодильной камере сопротивление терморезистора RK1 и падение напряжения такова, что напряжение на инвертирующем входе ОУ DA2 меньше, чем на неинвертирующем, уровень на выходе ОУ — высокий, что приводит к открыванию транзистора VT2 и срабатыванию реле К1, включающего компрессор. Светодиод HL4 светится, HL5 — нет. С понижением температуры в холодильной камере напряжение на инвертирующем входе ОУ растет, что приводит к изменению состояния ОУ и выключению компрессора. Светодиод HL4 гаснет, HL5 — светится.
Перепад напряжения на коллекторе транзистора VT2 в момент отпускания реле вызывает зарядку конденсатора С6 и кратковременное (на 20 мс) открывание транзистора VT1 импульсом зарядного тока. Разряженный через открывшийся транзистор конденсатор С2 вновь, как после подключения блока к сети, начинает медленно заряжаться, что приводит к пятиминутному запрету включения компрессора. Диод VD2 защищает эмиттерный переход транзистора VT1 от отрицательного импульса при разрядке конденсатора С6 через открывшийся в момент включения реле К1 транзистор VT2.
Необходимую температуру в холодильной камере устанавливают с помощью переменного резистора R16. Ширину петли гистерезиса терморегулятора регулируют переменным резистором R20. Необходимость изменения гистерезиса в процессе эксплуатации спорна, однако при первоначальной регулировке без этого не обойтись. Гистерезис должен быть достаточным для того, чтобы компрессор не включался слишком часто, а в перерывах его работы температура стенок холодильной камеры достигала положительного значения, и образовавшийся на них иней таял, не накапливаясь. Рассмотрим работу узла контроля сетевого напряжения. Если оно находится в допустимых пределах, напряжение на входах элемента DD1.3 ниже, а на входах элемента DD2.1 выше порога их переключения. Уровни на обоих входах элемента DD2.3 высокие, а на его выходе — низкий, дающий возможность всем другим узлам блока работать описанным выше образом.
При напряжении в сети меньше допустимого элемент DD2.1 изменит состояние. Логический уровень на его выходе станет высоким, такой же будет и на выходах элементов DD2.3, DD2.4. Светодиод HL3 зажжется, а транзистор VT1, открытый напряжением, поступающим на его базу через резистор R19, разрядит конденсатор С2, чем заблокирует компрессор. С восстановлением нормального напряжения светодиод HL3 погаснет, транзистор VT1 будет закрыт и через необходимое для зарядки конденсатора С2 время будет разрешена работа терморегулятора.
При напряжении в сети, превышающем допустимое, низкий уровень на выходе элемента DD1.3 приведет к установке высокого на выходах элементов DD1,4 и. DD2.3. Далее все происходит так же, как при понижении напряжения, только вместо светодиода HL3 светится HL2.
Значения сетевого напряжения, при которых срабатывает защита, рекомендуется установить равными 242 (подстроечным резистором R5) и 187В (подстроечным резистором R6).
Перерыв в подаче электроэнергии блок воспримет как недопустимое понижение напряжения. Важно, чтобы повторное включение компрессора было запрещено, если длительность перерыва превысила требующуюся для его остановки. Однако реакция не должна быть и слишком быстрой — возрастет вероятность ложных срабатываний (например, вызванных включением в ту же сеть мощных электроприборов).
Источник бесперебойного питания с двойным преобразованием
... пропадании напряжения сети ИБП автоматически переключается на питание от аккумулятора, при восстановлении напряжения сети автоматически переходит в режим заряда аккумулятора. Подход к источнику бесперебойного питания, как ... режиме работы обеспечивает подключение нагрузки непосредственно к внешней питающей сети, а в аварийном – переводит ее на питание от аккумуляторных батарей. Достоинством ...
Время срабатывания описываемого устройства при скачкообразном уменьшении напряжения в сети — приблизительно 65 мс — складывается из требующегося на разрядку конденсатора С1 до напряжения, соответствующего допустимому минимуму, и времени разрядки конденсатора С2 через открывшийся транзистор VT1. Время реакции на скачкообразное повышение напряжения в сети меньше — 25…40 мс. Оно расходуется на дозарядку конденсатора С1 до установленного порога и разрядку конденсатора С2.
4. Обзор построения принципиальных схем термометров. (электронного, цифрового, бортового-термометра вольтметра)
Обзор начнём с универсального электронного термометра, принципиальная схема которого приведена на рис.
Рис. Принципиальная схема универсального электронного термометра
Датчиком температуры термометра служит термопара «хромель-алюмель», сваренная из проволочек диаметром 0,2 мм. Величина создаваемой термопарой ЭДС пропорциональна, как известно, разности температур «горячего» и «холодных» ее концов. В электронном термометре, о котором идет речь, предусмотрена автоматическая компенсация температуры холодных концов термопары tК(«комнатной») с тем, чтобы измерительный прибор показывал температуру объекта t, а не ее разность: t-tк.
Он состоит из измерительного моста (VТ1, VТ2, RК1, R1-R5), стабилизатора напряжения его питания (VТЗ, VT4, R6), термопары ВК1, усилителя напряжения (DА1, DА2, R7-R11, SА1), микроамперметра РА1, выключателя питания SА2 и источника питания GВ1.
В нижние плечи измерительного моста включены медный терморезистор RК1 и резистор RЗ, в верхние — стабилизаторы токов этих резисторов на транзисторах VТ1 и VТ2, а в его измерительную диагональ — термопара ВК1 и неинвертирующие входы микросхем DА1, DА2 усилителя напряжения. Благодаря очень большому входному сопротивлению усилителя ток в измерительной диагонали практически отсутствует, и на его входное напряжение (Uвх) не влияет падение напряжения на резисторах RЗ, RК1 и проводниках термопары. Холодный спай термопары должен находиться в корпусе термометра.
При изменении температуры tк(при постоянной t) напряжение на терморезисторе RК1 (URK1) и ЭДС термопары Е меняются в противофазе так, что их сумма всегда остается постоянной. Чтобы нуль на шкале измерительного прибора РА1 соответствовал температуре ОС и показания термометра не зависели от температуры напряжение на резисторе RЗ устанавливается равным UR3=URK10=К/LRK1(1.1), где URK10- напряжение на RК1 при tК=0 °С; К — коэффициент термоЭДС термопары; LRK1- температурный коэффициент сопротивления резистора RК1. Зависимость (1.1) справедлива при соблюдении неравенства: LRK1>> LR3(1.2).
Это условие легко выполнить, если RК1 намотать медным проводом, а в качестве RЗ использовать резистор МЛТ. При соблюдении требований (1.1) и (1.2) входное напряжение Uвх=К*1 (1.3).
Регулирование напряжения трансформатора
... практического значения. 4. Последовательные регулировочные трансформаторы Для регулирования коэффициента трансформации мощных трансформаторов и автотрансформаторов иногда применяют регулировочные трансформаторы, которые подключаются последовательно с трансформатором и позволяют менять как напряжение, ... М.: Энергоатомиздат, 1987. — 648 с.: ил. ББК 31.277.1 Р63 Данный реферат составлен на основе .
Это же напряжение будет приложено к резистору R8 (в диапазоне измеряемых температур 0…10СГС) или к резистору R9 (в диапазоне 0… 1000 °С), поскольку ОУ DA1 включен по схеме повторителя напряжения, а ОУ DА2 — по схеме неинвертирующего усилителя. Следовательно, ток в цепи обратной связи РА1, R10 будет равен: Iос=Uвх/R, где R — сопротивление резистора R8 или R9. С учетом равенства (1.33) Iос=К*t/R, т.е. ток через микроамперметр РА1 прямо пропорционален температуре объекта t.
В качестве РА1 использован микроамперметр на 100 мкА. Резистор RК1 намотан на пластинке из текстолита 20×10 мм толщиной 1 мм изолированным медным проводом диаметром 0,1 мм до сопротивления 60…100 Ом. Транзистор VТЗ включен как стабилизатор напряжения измерительного моста. Его функции может выполнять любой маломощный кремниевый транзистор с напряжением пробоя перехода база — эмиттер ниже 7 В. Транзисторы VТ1, VТ2, VТ4 — любые маломощные полевые транзисторы с р-п переходом. Напряжение отсечки VТ1, VТ2 — не более 4 В, а VТ4 — не более 2В. Сумма напряжения отсечки транзистора VТ4 и напряжения стабилизации транзистора VТЗ должна быть меньше напряжения батареи GВ1 и чем меньше эта сумма, тем при более глубоком разряде батареи термометр сохранит работоспособность.
Микромощные ОУ применены только из соображений минимального энергопотребления. При питании термометра от сети в качестве DА1, DА2 желательно применить прецизионные ОУ. Подстроечные резисторы R2, R5, R8, R9 — многооборотные — СП5-2В или другие им подобные. Остальные резисторы-МЛТ — 0,125.
Налаживание термометра начинают с расчета напряжения UR3. Для термопары «хромель-алюмель» К=4,065*10-2мВ/°С. Для меди LRK1=4,3-10-3/°С. Пользуясь равенством (1.1), получаем UR3=4,065 — 10-2/ 4,3-10-3=9,453 мВ. Далее, замкнув выключатель SА2, параллельно резистору RЗ подключают вольтметр (желательно цифровой) и резистором R5 устанавливают рассчитанное напряжение с максимально возможной точностью. После этого переключатель SА1 переводят в положение «100:», опускают спай термопары в сосуд с тающим льдом и резистором R2 устанавливают стрелку микроамперметра РА1 на 0. Если у резистора R2 или R5 не хватает пределов регулирования, то следует заменить соответственно резистора R1 или R4. Затем опускают спай термопары в сосуд с кипящей водой и резистором R8 устанавливают стрелку РА1 на последнее деление шкалы — 100 мкА. Далее, не вынимая термопару из кипящей воды, переводят переключатель SА1 в положение «1000°» и резистором R9 устанавливают стрелку РА1 в положение 10 мкА. На этом налаживание заканчивают.
При эксплуатации прибора зашкаливание стрелки РА1 на пределе измерения 100 °С при комнатной температуре говорит о разрядке батареи питания GВ1 и необходимости ее замены. Максимальное напряжение питания термометра определяется допустимым напряжением питания ОУ (для микросхем К140УД12 UMAX=15В) или допустимым напряжением сток-затвор транзистора VТ4 плюс напряжение стабилизации перехода база-эмиттер транзистора VТЗ Минимальное напряжение питания равно сумме напряжения стабилизации VТЗ и напряжения отсечки транзистора VТ4 (у автора UMIN составляло 7,5 В).
Ток, потребляемый термометром, — 0,6…0,9 мА.
Устройство регулирования температуры и влажности в помещении
... туман и относительная влажность воздуха имеет значение порядка 100%. При той же температуре и содержании воды в воздухе порядка 8,65 гм 3 относительная влажность воздуха будет иметь значение 50%. Основной причиной понижения относительной влажности воздуха в производственных помещениях в зимний ...
При измерении отрицательных температур следует поменять местами концы подключения термопары к термометру.
Термопара «хромель-алюмель» применена автором из-за ее высокой рабочей температуры (до 1300 °С).
Если предел измеряемых температур не превышает 500С, то можно взять термопару «хромель-копель» или сварить термопару из другой, имеющейся в наличии, пары металлов (сплавов).
Очевидно, что новая пара будет иметь уже другую величину коэффициента термоЭДС К и соответственно другое значение UR3Величину коэффициента К можно рассчитать, взяв из справочника величины термоЭДС этих металлов в паре с платиной и вычесть их друг из друга, или определить значение К экспериментально. Для этого термопару следует подключить к цифровому милливольтметру и поместить её спай сначала в сосуд с тающим льдом, а затем в сосуд с кипящей водой, записывая каждый раз показания вольтметра (с учётом знака).
Затем нужно найти разность полученных значений и разделить её на 100.
Ещё одной разновидностью термометров является простой цифровой термометр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.2.
Термометр может измерять температуру от -60 до +120 °С, погрешность не превышает ±0,2 °С в диапазоне О…40 °С и в два раза больше за его пределами.
Рабочая температура корпуса прибора 15…25 °С. Термометр питается от встроенной батареи 7Д-0.125Д и потребляет ток не более 2 мА.
Основой предлагаемого устройства служит аналого-цифровой преобразователь на микросхеме DD2 с жидкокристаллическим индикатором НG1. В качестве параметрического датчика использован кремниевый диод VD1, для которого температурный коэффициент напряжения (ТКН) примерно равен -2 мВ/’С. Падение напряжения на прямо смещенном диоде при токе 0.1…1 мА имеет величину в пределах 560…650 мВ и линейно уменьшается с ростом температуры.
Для питания датчика использован имеющийся в микросхеме DD2 источник опорного напряжения величиной 2,8±0,4В Внутри микросхемы он соединен плюсом с выводом 1 питания микросхемы. Вывод 32 опорного напряжения обозначен — Uа и соединен с общим проводом.
Делитель из резисторов R4, R7, R10 — R13 снижает напряжение до 600 мв, что по величине соответствует напряжению на диоде VD1 при температуре 0С; подстроечный резистор R10 обеспечивает его небольшую регулировку. Делитель формирует также напряжение 200 мВ, соответствующее разности напряжений, снимаемых с диода VD1 и движка резистора R11 при показании термометра 100 °С. Это напряжение подается на входы Uоб микросхемы DD2, оно может быть тоже подстроено резистором R12.
Элементы R5, R6, С2 определяют частоту задающего генератора (50 кГц), цепочка R8СЗ сглаживает наводки и шумы и способствует защите от статического электричества. Конденсатор С6 служит для хранения образцового напряжения, резистор R14 и конденсатор С9 являются элементами интегратора микросхемы, С10 входит в цепь автокоррекции куля.
Конденсаторы С1, С5, С7, С8 — блокировочные а цепях питания. Конденсатор С4 устраняет наводки переменного напряжения с частотой сети, которые при его отсутствии детектируются на нелинейности диода VD1 и существенно искажают показания.
Микросхема DD1 используется для постоянного включения запятой НЗ и контроля разрядки батареи. При напряжении питания более 8 В напряжение на выводе 6 микросхемы DD1 ниже порога переключения, поэтому запятая Н4 невидима. При разрядке батареи напряжение питания микросхемы DD1 остается постоянным, а напряжение на ее входе 6 относительно вывода 7 возрастает. При напряжении батареи менее 8 В напряжение на входе 6 становится выше порога переключения и запятая Н4 становится видимой.
Особо следует отметить назначение резистора R9. Дело в том, что нестабильность источника опорного напряжения микросхемы DD2 составляет примерно 0,01%/°С и 0,1% при снижении напряжения свежезаряженой батареи 7Д-0.125Д с 9,8 В до 8 В (неполная разрядка).
Для использования в цифровом мультиметре с разрядностью 3 1/2 такая нестабильность допустима. В описываемом термометре это изменение опорного напряжения приводит к ошибке в 0,6 мВ или в 0,3 °С, что заметно. Частично можно скомпенсировать эту погрешность подбором резистора R9, уменьшив ошибку до 0,1 °С.
Следующим рассмотренным типом термометра будет бортовой термометр-вольтметр, принципиальная схема которого приведена на рис.
Рис. Принципиальная схема бортового-термометра вольтметра.
Основой прибора служат аналого-цифровой преобразователь (АЦП) DD1 и три микросхемных датчика температуры DА1-DА3. Датчики можно рассматривать как стабилитроны с малым дифференциальным сопротивлением (менее 1 Ом) и напряжением стабилизации, пропорциональным абсолютной температуре. Рабочий ток через них (около 1 мА) задан резистором R4. Точку измерения температуры (а значит, тот или иной датчик) выбирают переключателем SА1 (секция SА1.2).
Для того чтобы показания термометра были нулевыми при нулевом значении измеряемой температуры, на вход АЦП следует подать разность между напряжением на датчике и образцовым напряжением 2,732 В. Образцовое напряжение должно быть высокостабильным (температурный коэффициент напряжения источника, встроенного в микросхему КР572ПВ2А, слишком велик).
Поэтому в приборе в качестве источника образцового напряжения использован микросхемный стабилизатор КР142ЕН19А (DА6) с весьма малой температурной зависимостью выходного напряжения.
Микросхема DА6 работает в режиме регулируемого прецизионного стабилитрона. Необходимое напряжение стабилизации 2,732В устанавливают подстроечным резистором R9, а ток стабилизации (около 6мА) задает резистор R13.
Измеряемой температуре 100 °С соответствует напряжение 1 В между входами АЦП +1Uвх и — Uвх. Для того, чтобы при этом на табло НG1-НG4 появилось показание «100,0», необходимо подать образцовое напряжение 1 В на входы +Uобр и — Uобр АЦП. Это напряжение снимают с движка подстроечного резистора R15.
Частота работы генератора АЦП выбрана из стандартного ряда — 50 кГц, ее задают элементы С12R18. Указанным параметрам соответствуют номиналы элементов интегратора R17 и C11 и емкость конденсатора C10 автокоррекции «нуля». Конденсатор С5 уменьшает влияние наводок на датчики, а С8 исключает паразитную генерацию внутреннего источника образцового напряжения АЦП (-2,9 В).
Индикатор НG1 указывает знак и первую цифру наибольшего значения измеряемой температуры — «единицу». Через горизонтальный элемент индикатора течёт ток (определяемый резистором R19, из-за чего элемент постоянно высвечивает знак «минус». Полярность напряжения, подаваемого на входы Uвх АЦП, противоположна обычной, поэтому при плюсовой температуре на выходе g1 АЦП действует низкий логический уровень, включающий дополнительно два вертикальных элемента индикатора НG1, формируя знак «плюс». «Единица» включается на на индикаторе HG1, лишь когда измеряемая температура достигает 100 С и более.
Напряжение питания прибора в целом стабилизировано микросхемным стабилизатором DA4. Пятивольтное напряжение для питания индикаторов HG1-НG4 сформировано стабилизатором DА5. Значения напряжения на схеме указаны относительно верхнего по схеме плюсового проводника (подключаемого к плюсовому выводу аккумуляторной батареи через контакты секции SА1.1 переключателя и дроссель L1).
Для измерения напряжения аккумуляторной батареи служит делитель R5-R8. С резисторов R6 и R7 напряжение, равное 0,01 напряжения батареи, подано на вход АЦП во втором сверху по схеме положении переключателя SА1 (цифрами обозначены номера его контактов).
Напряжению батареи 12В соответствуют напряжение 120 мВ на входе АЦП и показания табло «12,0». Если желательно иметь точность измерений до 10 мВ, делитель R5-R8 должен обеспечивать на резисторах R6 и R7 напряжение, равное 0,1 напряжения батареи, и, кроме того, необходима еще одна секция переключателя SА1 для управления положением десятичной запятой.
Ещё одним типом рассмотренных термометров будет цифровой термометр, принципиальная схема которого приведена на рис. 1.4.
Датчиком температуры описываемого прибора служит кремниевый диод. При этом используется линейная зависимость падения напряжения на нем от температуры при фиксированном прямом токе смещения. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) для кремниевых диодов практически постоянен в диапазоне -60…+100С и составляет -2… — 2,5 мВ/С в зависимости от типа диода и значения тока смещения. Как показали исследования, практически любой кремниевый диод или транзистор может быть использован как линейный температурный преобразователь в диапазоне от -55С до +125С
5. Системы автоматического регулирования
По принципу регулирования все системы автоматического регулирования подразделяются на четыре класса:
1. Система автоматической стабилизации — система, в которой регулятор поддерживает постоянным заданное значение регулируемого параметра.
2. Система программного регулирования — система, обеспечивающая изменение регулируемого параметра по заранее заданному закону (во времени).
3. Следящая система — система, обеспечивающая изменение регулируемого параметра в зависимости от какой-либо другой величины.
4. Система экстремального регулирования — система, в которой регулятор поддерживает оптимальное для изменяющихся условий значение регулируемой величины.
Для регулирования температурного режима электронагревательных установок применяются в основном системы двух первых классов.
Системы автоматического регулирования температуры по роду действия можно разделить на две группы: прерывистого и непрерывного регулирования.
Автоматические регуляторы систем автоматического регулирования (САР) по функциональным особенностям разделены на пять типов: позиционные (релейные), пропорциональные (статические), интегральные (астатические), изодромные (пропорционально-интегральные), изодромные с предварением и с первой производной.
Позиционные регуляторы относятся к прерывистым САР, а остальные типы регуляторов — к САР непрерывного действия. Ниже рассмотрены основные особенности позиционных, пропорциональных, интегральных и изодромных регуляторов, имеющих наибольшее применение в системах автоматического регулирования температуры.
Функциональная схема автоматического регулирования температуры (рис.) состоит из объекта регулирования 1, датчика температуры 2, программного устройства или задатчика уровня температуры 4, регулятора 5 и исполнительного устройства 8. Во многих случаях между датчиком и программным устройством ставится первичный усилитель 3, а между регулятором и исполнительным устройством — вторичный усилитель 6. Дополнительный датчик 7 применяется в изодромных системах регулирования.
Рис. Функциональная схема автоматического регулирования температуры
В качестве датчиков температуры применяются термопары, термосопротивления (термисторы) и термометры сопротивления.Наиболее часто используются термопары.
Позиционные (релейные) регуляторы температуры.
Позиционными называют такие регуляторы, у которых регулирующий орган может занимать два или три определенных положения. В электронагревательных установках применяются двух- и трехпозиционные регуляторы. Они просты и надежны в эксплуатации.
На рис. показана принципиальная схема двухпозиционного регулирования температуры воздуха.
Рис. Принципиальная схема двухпозиционного регулирования температуры воздуха: 1 — объект регулирования, 2 — измерительный мост, 3 — поляризованное реле, 4 — обмотки возбуждения электродвигателя, 5 — якорь электродвигателя, 6 — редуктор, 7 — калориф.
Для контроля температуры в объекте регулирования служит термосопротивление ТС, включенное в одно из плеч измерительного моста 2. Величины сопротивлений моста подбираются таким образом, чтобы при заданной температуре мост был уравновешен, то есть напряжение в диагонали моста равнялось нулю. При повышении температуры поляризованное реле 3, включенное в диагональ измерительного моста, включает одну из обмоток 4 электродвигателя постоянного тока, который с помощью редуктора 6 закрывает воздушный клапан перед калорифером 7. При понижении температуры воздушный клапан полностью открывается.
При двухпозиционном регулировании температуры количество подаваемого тепла может устанавливаться только на двух уровнях — максимальном и минимальном. Максимальное количество тепла должно быть больше необходимого для поддержания заданной регулируемой температуры, а минимальное — меньше. В этом случае температура воздуха колеблется около заданного значения, то есть устанавливается так называемый автоколебательный режим (рис.).
Линии, соответствующие температурам ?н и ?в, определяют нижнюю и верхнюю границы зоны нечувствительности. Когда температура регулируемого объекта, уменьшаясь, достигает значения ?н количество подаваемого тепла мгновенно увеличивается и температура объекта начинает возрастать. Достигнув значения ?в, регулятор уменьшает подачу тепла, и температура понижается.
Рис. Временная характеристика двухпозиционного регулирования (а) и статическая характеристика двухпозиционного регулятора (б)
Скорость повышения и понижения температуры зависит от свойств объекта регулирования и от его временной характеристики (кривой разгона).
Колебания температуры не выходят за границы зоны нечувствительности, если изменения подачи тепла сразу вызывают изменения температуры, то есть если отсутствует запаздывание регулируемого объекта.
С уменьшением зоны нечувствительности амплитуда колебаний температуры уменьшается вплоть до нуля при ?н =?в. Однако для этого требуется, чтобы подача тепла изменялась с бесконечно большой частотой, что практически осуществить чрезвычайно трудно. Во всех реальных объектах регулирования имеется запаздывание. Процесс регулирования в них протекает примерно так.
При понижении температуры объекта регулирования до значения ?н мгновенно изменяется подача тепла, однако из-за запаздывания температура некоторое время продолжает снижаться. Затем она повышается до значения ?в, при котором мгновенно уменьшается подача тепла. Температура продолжает еще некоторое время повышаться, затем из-за уменьшенной подачи тепла температура понижается, и процесс повторяется вновь.
На рис. 3, б приведена статическая характеристика двухпозиционного регулятора. Из нее следует, что регулирующее воздействие на объект может принимать только два значения: максимальное и минимальное. В рассмотренном примере максимум соответствует положению, при котором воздушный клапан (см. рис.) полностью открыт, минимум — при закрытом клапане.
Знак регулирующего воздействия определяется знаком отклонения регулируемой величины (температуры) от ее заданного значения. Величина регулирующего воздействия постоянна. Все двухпозиционные регуляторы обладают гистерезисной зоной ?, которая возникает из-за разности токов срабатывания и отпускания электромагнитного реле.
Пропорциональные (статические) регуляторы температуры.
В тех случаях, когда необходима высокая точность регулирования или когда недопустим автоколебательный процесс, применяют регуляторы с непрерывным процессом регулирования. К ним относятся пропорциональные регуляторы (П-регуляторы), пригодные для регулирования самых разнообразных технологических процессов.
В тех случаях, когда необходима высокая точность регулирования или когда недопустим автоколебательный процесс, применяют регуляторы с непрерывным процессом регулирования. К ним относятся пропорциональные регуляторы (П-регуляторы), пригодные для регулирования самых разнообразных технологических процессов. В системах автоматического регулирования с П-регуляторами положение регулирующего органа (у) прямо пропорционально значению регулируемого параметра (х):
y=k1х,
где k1 — коэффициент пропорциональности (коэффициент усиления регулятора).
Эта пропорциональность имеет место, пока регулирующий орган не достигнет своих крайних положений (конечных выключателей).
Скорость перемещения регулирующего органа прямо пропорциональна скорости изменения регулируемого параметра.
На рис. 4 показана принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры воздуха в помещении при помощи пропорционального регулятора.
Температура в помещении измеряется термометром сопротивления ТС, включенным в схему измерительного моста 1.
Рис. Схема пропорционального регулирования температуры воздуха: 1 измерительный мост, 2 — объект регулирования, 3 — теплообменник, 4 — конденсаторный двигатель, 5 — фазочувствительный усилитель
При заданной температуре мост уравновешен. При отклонении регулируемой температуры от заданного значения в диагонали моста возникает напряжение разбаланса, величина и знак которого зависят от величины и знака отклонения температуры. Это напряжение усиливается фазочувствительным усилителем 5, на выходе которого включена обмотка двухфазного конденсаторного двигателя 4 исполнительного механизма.
Исполнительный механизм перемещает регулирующий орган, изменяя поступление теплоносителя в теплообменник 3. Одновременно с перемещением регулирующего органа происходит изменение сопротивления одного из плеч измерительного моста, в результате этого изменяется температура, при которой уравновешивается мост.
Таким образом, каждому положению регулирующего органа из-за жесткой обратной связи соответствует свое равновесное значение регулируемой температуры.
Для пропорционального (статического) регулятора характерна остаточная неравномерность регулирования.
В случае скачкообразного отклонения нагрузки от заданного значения (в момент t1) регулируемый параметр придет по истечении некоторого отрезка времени (момент t2) к новому установившемуся значению (рис. 4).
Однако это возможно только при новом положении регулирующего органа, то есть при новом значении регулируемого параметра, отличающегося от заданного на величину ?.
Рис. Временные характеристики пропорционального регулирования
Недостаток пропорциональных регуляторов состоит в том, что каждому значению параметра соответствует только одно определенное положение регулирующего органа. Для поддержания заданного значения параметра (температуры) при изменении нагрузки (расхода тепла) необходимо, чтобы регулирующий орган занял другое положение, соответствующее новому значению нагрузки. В пропорциональном регуляторе этого не происходит, вследствие чего возникает остаточное отклонение регулируемого параметра.
6. Интегральные (астатические регуляторы)
Интегральными (астатическими) называются такие регуляторы, в которых при отклонении параметра от заданного значения регулирующий орган перемещается более или менее медленно и все время в одном направлении (в пределах рабочего хода) до тех пор, пока параметр снова не примет заданного значения. Направление хода регулирующего органа изменяется лишь тогда, когда параметр переходит через заданное значение.
В интегральных регуляторах электрического действия обычно искусственно создается зона нечувствительности, в пределах которой изменение параметра не вызывает перемещений регулирующего органа.
Скорость перемещения регулирующего органа в интегральном регуляторе может быть постоянной и переменной. Особенностью интегрального регулятора является отсутствие пропорциональной связи между установившимися значениями регулируемого параметра и положением регулирующего органа.
На рис. 6 приведена принципиальная схема системы автоматического регулирования температуры при помощи интегрального регулятора. В ней в отличие от схемы пропорционального регулирования температуры (см. рис.) нет жесткой обратной связи.
Рис. Схема интегрального регулирования температуры воздуха
В интегральном регуляторе скорость регулирующего органа прямо пропорциональна величине отклонения регулируемого параметра.
Процесс интегрального регулирования температуры при скачкообразном изменении нагрузки (расхода тепла) отображен на рис. 7 с помощью временных характеристик. Как видно из графика, регулируемый параметр при интегральном регулировании медленно возвращается к заданному значению.
Рис. Временные характеристики интегрального регулирования, Изодромные (пропорционально-интегральные) регуляторы
Изодромное регулирование обладает свойствами как пропорционального, так и интегрального регулирования. Скорость перемещения регулирующего органа зависит от величины и скорости отклонения регулируемого параметра.
При отклонении регулируемого параметра от заданного значения регулирование осуществляется следующим образом. Вначале регулирующий орган перемещается в зависимости от величины отклонения регулируемого параметра, то есть имеет место пропорциональное регулирование. Затем регулирующий орган совершает дополнительное перемещение, которое необходимо для устранения остаточной неравномерности (интегральное регулирование).
Изодромную систему регулирования температуры воздуха (рис. 8) можно получить заменой жесткой обратной связи в схеме пропорционального регулирования (см. рис. 5) упругой обратной связью (от регулирующего органа к движку сопротивления обратной связи).
Электрическая обратная связь в изодромной системе осуществляется потенциометром и вводится в систему регулирования через контур, содержащий сопротивление R и емкость С.
В течение переходных процессов сигнал обратной связи вместе с сигналом отклонения параметра воздействует на последующие элементы системы (усилитель, электродвигатель).
При неподвижном регулирующем органе, в каком бы положении он ни находился, по мере заряда конденсатора С сигнал обратной связи затухает (в установившемся режиме он равен нулю).
Рис. Схема изодромного регулирования температуры воздуха
Для изодромного регулирования характерно, что неравномерность регулирования (относительная ошибка) с увеличением времени уменьшается, приближаясь к нулю. При этом обратная связь не будет вызывать остаточных отклонений регулируемой величины.
Таким образом, изодромное регулирование приводит к значительно лучшим результатам, чем пропорциональное или интегральное (не говоря уже о позиционном регулировании).
Пропорциональное регулирование в связи с наличием жесткой обратной связи происходит практически мгновенно, изодромное — замедленно.
7. Программные системы автоматического регулирования температуры
Для осуществления программного регулирования необходимо непрерывно воздействовать на настройку (установку) регулятора так, чтобы регулируемая величина изменялась по заранее заданному закону. С этой целью узел настройки регулятора снабжается программным элементом. Это устройство служащее для установления закона изменения задаваемой величины.
При электронагреве исполнительный механизм САР может воздействовать на включение или отключение секций электронагревательных элементов, изменяя тем самым температуру нагреваемой установки в соответствии с заданной программой. Программное регулирование температуры и влажности воздуха широко применяется в установках искусственного климата.
