Разработка и исследование автоматической системы регулирования и стабилизации температуры на основе выявленных закономерностей работы термостата тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.07, кандидат технических наук Потехин, Дмитрий Станиславович

• Потехин, Дмитрий Станиславович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Потехин, Дмитрий Станиславович

Список основных обозначений Введение

1 Принципы построения и особенности систем регулирования температуры

1.1 Постановка задачи построения системы стабилизации 12 температуры

1.2 Конструктивно - технологические особенности 14 термостатов

1.3 Анализ методов построения систем регулирования и 20 поддержания температуры

1.4 Особенности устройств измерения температуры, 23 применяемых в системах стабилизации температуры

1.5 Выбор исполнительных элементов 33 термостабилизирующих устройств

1.6 Основные принципы построения прецизионной системы 36 регулирования температуры

Выводы

2 Моделирование тепловых процессов, 41 протекающих в термостате и определение передаточной функции объекта регулирования

2.1 Методы исследования тепловых процессов, протекающих 42 в термостате

2.2 Математическая модель многослойного термостата 55 прибора для комплексного определения физических свойств жидких сред

2.3 Выбор конструкции объекта регулирования термостата с 62 помощью математической модели

2.4 Исследование нелинейных элементов системы 68 регулирования температуры и определение их передаточной функции

Выводы

3 Разработка автоматической системы 82 регулирования температуры для прибора, определяющего физические параметры жидкостей

3.1 Выбор аналого-цифровых и цифро-аналоговых 82 преобразователей автоматической системы установления и стабилизации температуры

3.2 Синтез системы автоматического регулирования 88 температуры измерительного прибора, определяющего физические параметры жидкостей

3.3 ПЭВМ и аналого-цифровые элементы получения и 102 обработки информации о тепловых процессах, протекающих в термостате

3.4 Особенности программных средств, обеспечивающих 109 функционирование системы

Выводы

Обоснование точностных характеристик термостата

4.1 Точность определения физических параметров жидких 121 сред прибором, в состав которого входит термостат

4.2 Влияние точности установления температуры на точность 132 определения физических параметров жидкостей

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование автоматической системы регулирования и стабилизации температуры на основе выявленных закономерностей работы термостата»

Актуальность темы

Контрольно-измерительные операции являются важнейшей частью технологических процессов в машин о и приборостроении. От достоверности и оперативности информации, получаемой в ходе их выполнения, в значительной степени зависит качество выпускаемой продукции. Обеспечение этих условий (достоверности и оперативности) может быть достигнуто через минимизацию и исключение влияния на контрольно-измерительные операции различного рода дестабилизирующих факторов, при этом наиболее эффективным направлением является автоматизация этих операций.

Надежные и высокоточные измерения любых физических величин немыслимы без соблюдения определенных условий эксплуатации измерительного оборудования, таких как, стабильность и точность параметров питающей сети, влажность воздуха, атмосферное давление, температура окружающей среды и отдельных узлов измерительного оборудования и т.п. По степени влияния на точность измерительных приборов температура занимает одно из первых мест.

Даже незначительное изменение температуры прибора или отдельного его узла приводит к изменению физико-химических свойств материалов, составляющих конструкцию измерительного прибора, что в той или иной степени влияет на процессы, заложенные в основу прибора, искажает его конструктивные параметры.

Поддержание во времени и в определенных объемах требуемой температуры приводило и приводит к созданию многочисленных вариантов конструкций систем обеспечения необходимых температурных режимов и защиты от внешних тепловых полей. Такими устройствами являются системы задания и стабилизации температуры, или термостаты, использующие в своей работе разнообразные физические принципы. Кроме того, в зависимости от области применения термостатов различны и требования к величине регулируемой температуры и к равномерности ее распределения в пределах рабочего тела.

Созданием термостабилизаторов заняты многочисленные отделы и лаборатории различных предприятий, обеспечивающие метрологические характеристики измерительных устройств различного применения.

Особенно высокие требования к точности установления и стабилизации температуры предъявляются в измерительных устройствах высокого класса точности и в приборах, определяющих физические свойства жидких сред. Это обусловлено тем, что даже при изменении температуры жидкости всего лишь на 1 °С многие физические параметры, например такие, как сдвиговая, кинематическая и объемная вязкости, скорость и затухание ультразвуковой волны и другие характеристики, могут менять свои абсолютные величины на единицы и даже десятки процентов.

Анализ литературы по системам стабилизации температуры [18, 33, 39, 74] показал, что выбор конструкции термостата целиком зависит от диапазона регулирования температуры и точности ее стабилизации, от массогабаритных показателей и условий эксплуатации. Поэтому все авторы делают упор на необходимость предварительного моделирования распределения температур, которое позволяет выбрать конструкцию термостата, способную обеспечить требуемые технические характеристики.

Методов расчета температурных полей в технической литературе описано достаточно много [28, 58, 75, 105, 106], но все они базируются на уравнении теплопроводности Фурье и законе сохранения энергии.

Но, несмотря на большое разнообразие описываемых в литературе конструкций термостатов, по типу регулирования почти все они являются САР релейного типа, главный недостаток которых -длительное время выхода на требуемый температурный режим. Это обстоятельство может являться существенным, если на работу устройства, в состав которого включен термостат, накладываются временные ограничения, например при экспресс-анализе физических свойств жидких сред.

Из вышеизложенного следует, что задача совершенствования автоматических систем регулирования и стабилизации температуры и создание высокоточного регулируемого термостата с малым временем переходного процесса является актуальной.

Цель работы

Разработка и исследование высокоточного термостата со встроенной автоматической системой регулирования и стабилизации температуры, работающего автономно в составе измерительного комплекса, определяющего физические параметры жидких сред при различных температурах, в том числе и температурах ниже температуры среды, окружающей устройство термостабилизации.

Для достижения поставленной цели необходимо:

1. Выявить взаимосвязи между характеристиками управляющего воздействия и теплофизическими свойствами объекта теплового регулирования.

2. Разработать конструкцию автоматической системы регулирования и стабилизации температуры.

3. Исследовать экспериментально систему автоматического регулирования и стабилизации температуры.

Научная новизна работы

На основании выявленных взаимосвязей между количеством теплоты, поданным в объект регулирования, температуры окружающей среды и теплофизическими свойствами объекта термостатирования разработан метод построения термостата с цифровой обработкой сигналов, при этом научная новизна работы заключается:

1. В уточнении математической модели распределения тепловых полей в многослойных структурах путем изменения способа задания граничных условий.

2. В обосновании способа уменьшения температурного градиента в объекте теплового регулирования путем введения экранирующих внешние тепловые поля теплопроводных оболочек.

3. В установлении функциональной взаимосвязи между количеством теплоты, рассеивающимся в окружающую среду и распределением температуры в объекте теплового регулирования.

Практическая значимость

Практическая значимость работы состоит:

1. В создании программного обеспечения метода моделирования тепловых полей.

2. В разработке регулируемого термостата с малым временем переходного процесса, работающего автономно в составе измерительной системы для комплексного исследования физических свойств жидких сред.

Реализация и внедрение результатов

Разработанные в диссертации метод, программное обеспечение и термостат, входящий в состав измерительной системы, используются в

Заключение диссертации по теме «Автоматизация технологических процессов и производств (в том числе по отраслям)», Потехин, Дмитрий Станиславович

Выводы

По результатам анализа зависимостей физических параметров масло-бензиновой смеси можно сделать выводы:

1. Точность поддержания температуры исследуемой жидкости оказывает существенное влияние на чувствительность и разрешающую способность по определению физических параметров жидкостей и их температурных и концентрационных зависимостей;

2. Точность определения физических параметров жидкостей в различной степени зависит от стабильности температуры. Поэтому при комплексных измерениях физических параметров жидкостей система регулирования и стабилизации температуры должна проектироваться с ориентацией на параметр, имеющий наибольшую чувствительность к изменениям температуры;

3. Так как приемлемой погрешностью поддержания температуры с точки зрения контроля за состоянием жидкостей по изменениям их физических параметров является величина »0.1 °С, то приборы для определения физических параметров жидких сред должны содержать в своем составе прецизионные термостаты с погрешностью поддержания температуры не выше указанной.