Исследование подогревного термостата сдвухпозиционным регулятором

Лабораторная работа

Целью работы является выработка навыков расчета и эксперементального определения основных показателей качества работы термостатирующих устройств с регуляторами релейного типа.

Программа работы:

1. Эксперементальное определение зоны неоднозначности двухпозиционного регулятора.

2. Экперементальное определение времени выхода на рабочий режим и динамической погрешности термостата для кварцевого резонатора.

3. Расчет характерных температур, времени выхода на рабочий режим и динамической погрешности.

4. Сопоставление расчетных и эксперементальных значений перечисленных показателей.

1. Основные теоретические положения.

Малогабаритные подогревные термостаты для пассивных (без тепловыделений) объектов предтавляют достаточно обширный класс термостатирующих устройств. К их числу могут быть отнесены термостаты для кварцевых резонаторов, ультразвуковых линий задержки и т. д.

При тепловом анализе такие термостаты представляются моделью, являющейся системой нескольких замкнутых криволинейных оболочек (рис.1).

Опыт разработки различных термостатирующих устройств с тепловой моделью, аналогичной рис.1, показал, что в первом приближении исследование динамических режимов термостата может быть проведено на базе трехемкостной модели с сосредоточенными параметрами (рис.2).

Этот вывод лег в основу разработки инженерной методики расчета следующих основных показателей качества:

- статистической ошибки (“увода”), т. е. величины смещения температуры объекта термостатирования в стационарном режиме при изменении температуры окружающей среды в максимальном диапазоне;

- динамической ошибки термостатирования – величины отклонения температуры объекта от стационарного уровня, вызванного работой регулятора температуры при постоянной температуре окружающей среды;

- времени выхода в режим – времени от момента включения термостата до момента, когда температура на объекте термостатирования достигает и остается в заданных пределах.

В настоящей лабораторной работе ставится задача определения динамической ошибки термостатирования и времени выхода в режим подогревного тнрмостата с двухпозицоинным регулятором температуры.

1.1. Принцип действия и состав системы регулирования.

Как правило, при разработке системы регулирования малогабаритного термостата ставится задача получения равномерного температурного поля. С этой целью термостатируемое тело помещают в камеру из материала с высокой теплопроводностью. Для уменьшения влияния условий внешней среды камеру окружают слоем теплоизоляции. Типовая конструкция термостата для кварцевых резона-торов представлена на рис.3.

Система регули-рования температуры основана на следующем принципе: приток тепла к термостатируемому телу меняется при отклоне-нии температуры тела от заданного значения. Структурная схема системы регулирования температуры показана на рис.4. С камерой термостата 1 соединен чувствительный элемент (датчик) 2, воспринимаю-щий отклонение темпе-ратуры от заданного значения.

Сигнал чувстви-тельного элемента преобразуется усили-телем 3 и подается на исполнительное устройство 4, изменяющее приток тепла к камере термостата. Внешнее возмущение действует не только на термостата, но и на элементы регулятора. Для компенсации ошибок часто используется еще один чувствительный элемент 5, реагирующий на изменение внешних условий.

Регулятор, используемый в лабораторной работе, представляет собой конструкцию, установленную внутри корпуса рядом с используемым термостатом. Схема регулятора представлена на рис.5.

Здесь резисторы R₁ и R₂ являются подстроечными: R₂ для “грубой”, а R₁ – для “точной” настройки на необходимую температуру регулирования. Регулятор работает следующим образом.

Терморезистор R7 типа ММТ-4 3,6 кОм, устанавливаемый на регулируемый объект, образует с резисторами R1-R4 и R8 тармочувствительный мост, подключаемый к выходу дифференциального усилителя постоянного тока A1, выполненного на операционном усилителе. Резисторы R6, R9 и конденсатор C1 включены в цепь отрицательной обратной связи. Усиленный сигнал разбаланса моста поступает на амплитудный дискриминатор A2. При достижении порога включения дискриминатор “опрокидывается” и включает выходной каскад – усилитель постоянного тока, работающий в ключевом режиме. На нагрузке, обозначенной на схеме R20, выделяется мощность, необходимая для поддержания на заланном уровне температуры объекта. При достижении заданной температуры настройки сигнал разбаланса моста уменьшается, амплитудный дискриминатор выключается и включает выходной каскад.

Характеристика двухпозиционного регуля-тора представлена на рис. 6. Зная зону неоднозна-чности в Омах: 0.5×(R_T1-R_T2), можно найти e - зону неоднозначности регуля-тора в градусах [1]:

где: R_T1 и R_T2 – нижнее иверхнее значения сопративления датчика тампературы, при которых происходит переключение нагревателя; R_Tср – сопративление двтчика при температуре окружающей среды (определяется по графику рис.12);

T₁ и T₂ – значения температур в К, соответствующие сопративлениям R_T1 и R_T2;

T_ср – температура среды в К;

B=2280 К.

Регулятор, характеризующийся зоной неоднозначности 2×e, настраивается на опре-деленную температуру t_дн, соответствущую заданной температуре термостати-рования объекта. Если значение температуры датчика находится ниже величены (t_дн-e), происхо-дит включение нагрева-теля термостата, под действием мощности Q_н которого осуществляется разогрев всех элементов термостата (в том числе и датчика). В момент достижения датчиком темпаратуры (t_дн+e) происхидит отключение нагревателя и последующее охлаждение тнрмостата в таком режиме представлен на рис.7. Этот режим работы характеризуется:

2. скважностью подачи мощности g

Установившийся режим работы термостата, соответствующий рис.7, принято называть квазистационарным или режимом автоколебаний. Отличительной особенностью этого режима является наличие устойчивых гармонических колебаний температур каждого из элементов термостата вокруг соответствующего им стационарного уровня. Причем интегральное значение температуры элемента за период колебаний может отличаться от рассчитываемого (в предположении идеального регулятора) стационарного значения в силу несимметричности колебаний. Таким образом, нестационарный режим работы термостата (квазистационарный) характеризуется амплитудой автоколебаний температур элементов и величиной смещения температур от стационарного значения – статистической составдяющей динамической ошибки.

Графики автоко-лебаний представлены на рис.8. В точке 1, соответствующей темпе-ратуре термостатирования. Нагревание объекта не прекращается, а продолжа-ется за счет нечувстви-тельности регулятора e дальше, до точки 2. Зона нечувствительности 2×e складывается в основном, из величины, обуслов-ленной тепловой инерцией датчика и величины, обусловленной временем срабатывания реле.

В точке 2 произойдет отключение нагревательного элемента. Однако температура будет еще возрастать до точки 3 вследствие тепловой инерции объекта Dt, а затем начнет падать до кривой 3-6.

В точке 5 произойдет включение нагревателя.

Рассмотрим переходный режим работы термостата. Переходным процессом называется процесс перехода объекта от некоторого начального состояния к другому тепловому состоянию под воздействием внутренних и внешних тепловых воздействий.

Переходный режим работы термостата можно условно разделить на два участка (рис.9):

- участок t₁ - участок включения максимальной мощности термостата. Этот участок соответствует времени разогрева датчика до температуры настройки. Вследствие малого терми-ческого сопротивления между датчиком и камерой термостата в инженерной практике считают, что к моменту t₁ температура камеры соответствует ее стационарному значению;

- участок t₂ - участок ”подтягивания” объекта в заданную зону термостатирования. Принимая допущение о постоянстве тампературы камеры на этом участке считают, что под действием избыточной температуры камеры относительно температуры объекта происходит его разогрев до заданного уровня.