СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

Существующие системы автоматического поддержания температуры в различных устройствах с электрическими датчиками температуры являются разновидностями способа непосредственного регулирования температуры. Наиболее совершенные из них - системы непрерывного регулирования. Однако они очень сложны, дороги и недостаточно надежны, а поэтому не имеют широкого распространения, хотя и дают возможность получить высокую точность регулирования (до ±0,25° при 800°). Менее совершенные релейные системы регулирования наиболее просты и поэтому распространены, но им свойственна малая точность терморегуляции, особенно в случае термостатирования печей ±9-±6° при 800°.

Предлагаемый способ автоматического поддержания постоянной температуры в электрических печах, термостатах и подобных устройствах является косвенным регулированием температуры. В отличие от систем непосредственного автоматического регулирования, он относится к системам автоматического управления и к следящим системам.

Структура системы косвенного регулирования температуры (автоматического управления) показана на фиг. 1, где 1 - вход устройства; 2 - элемент сравнения; 3 - управляющее устройство; 4 - нагреватель; 5 - чувствительный элемент; 6 - тепловой фильтр; 7 - рабочее пространство и 8 - контролируемая температура.

По этому способу при использовании простейших схем автоматического двухпозиционного регулирования легко достигается точность поддержания постоянной температуры в рабочем пространстве печи ±0,2° при 800°, причем имеется принципиальная возможность дальнейшего повышения точности без аппаратурного усложнения установок.

Способ основан на создании импульсного режима работы нагревателя, который обеспечивает возникновение устойчивых автоколебаний температуры с постоянным средним уровнем, нечувствительным к возможным изменениям напряжения в сети и тепловому состоянию системы. Созданные таким образом колебания температуры уничтожаются совсем или уменьшаются в тепловом фильтре по пути от нагревателя к рабочему пространству.

Устойчивые автоколебания температуры создаются в результате непосредственного грубого регулирования максимальной температуры нагревателя, причем подбирается такой режим его работы, чтобы включение и выключение питания производилось на короткие промежутки времени, что достигается применением больших скоростей нагревания и охлаждения (запас мощности нагревателя и степень его теплоизоляции) и установкой датчика регулятора в непосредственном тепловом контакте с нагревателем, с возможностью некоторой регулировки тепловой инерции между ними. Нечувствительность среднего уровня автоколебаний к изменениям напряжения в сети и к изменениям теплового состояния системы повышается путем увеличения скоростей нагрева и охлаждения (увеличением частоты колебаний).

Абсолютное значение температуры в рабочем пространстве

определяется физическими параметрами системы и тепловой инерцией между нагревателем и датчиком регулятора. При одном и том же задании регулятору (T°_вх) в одной и той же установке возможны разные абсолютные значения Т° выход в зависимости от степени теплового контакта между нагревателем и датчиком регулятора (см. фиг. 2). Из всех значений Т° выход оптимальным является некоторое среднее значение, соответствующее полной независимости устанавливающейся постоянной температуры, а также и среднего уровня автоколебаний, который ее определяет от теплоотдачи и, в частности, от температуры окружающей среды. Оптимальное значение тепловой инерции между датчиком регулятора и наиболее горячей частью нагревателя для каждой установки определяется экспериментально. Очень важна для сохранения постоянства температуры в рабочем пространстве неизменность найденного оптимального расположения датчика и нагревателя.

Величину остаточных температурных колебаний в рабочем пространстве (Δ′T) при данной амплитуде температурных колебаний на нагревателе (Δ′T) и известных физических параметрах теплового фильтра можно оценить по формуле:

Эффективность теплового фильтра можно повысить, повышая плотность ρ и уд. теплоемкость Ср материала фильтра или его толщину , а также понижая теплопроводность материала . При неизменном материале и его толщине эффективность может быть повышена в какой угодно степени путем повышения частоты автоколебаний температуры ν, что и является наиболее удобным способом повышения эффективности фильтра. Имея большие возможности повысить эффективность изменением частоты, можно не ограничиваться применением теплоизоляционных материалов для теплового фильтра и большой его толщиной, а использовать теплопроводные материалы и малые толщины фильтров, что дает существенный эффект в улучшении изотермических свойств установки.