Термостат общие понятия

June 26, 2010 by admin Комментировать »

На рис. 12.7 приведена типовая структурная схема термостата. Следует отме­тить, что для полноты картины в приведенной структурной схеме не хватает одного компонента — холодильного устройства. Термостат, который показан на схеме, может поддерживать температуру только выше температуры окру­жающей среды — в чем, впрочем, большинство практических задач в облас­ти техники и заключается. Введение холодильного агрегата не представляет никаких трудностей теоретически, но есть не всегда тривиальная задача практически, так как холодильник — сами знаете, насколько это громоздкая конструкция. Сейчас мы рассмотрим работу схемы без охлаждения, а затем поглядим, с какого бока туда можно пристроить холодильник, если вдруг это понадобится.

заметки на полях

Интересно, что схема на рис. 12.7, кроме всего прочего, служит ярким приме­ром упомянутого ранее положения о двойственности систем с обратной свя­зью: за объект, подлежащий регулированию (на рис. 12.2— верхний квадра­тик), здесь естественно принять среду, в которой мы поддерживаем температуру. В этом случае элементами обратной связи становится усилитель и остальные компоненты схемы. Но ничто нам не мешает— и с технической точки зрения это гораздо логичнее — рассматривать в качестве регулируемого объекта усилитель, и тогда наоборот, все остальное есть лишь элементы обратной связи для него! В том, что и тот и другой подходы равнозначны, вы убедитесь далее.

Итак, мы имеем некий объект регулирования (1), который условно показан на схеме, как бак с водой. Пусть сначала — сразу после включения системы — температура в нем ниже необходимой. Предположим, что датчик температу­ры (4) имеет характеристику с положительным наклоном — то есть сигнал на нем увеличивается с увеличением температуры. Выхрдной сигнал этого тер­модатчика представляет собой напряжение в некотором диапазоне, которое поступает на инвертирующий вход операционного усилителя (7). Конечно, не все датчики температуры выдают непосредственно напряжение на выходе, чаще у них от температуры зависит какой-нибудь физический параметр (на­пример, сопротивление), но преобразовать этот параметр в напряжение обычно несложно, и мы еще этим будем заниматься.

clip_image002

Рис. 12.7. Обобщенная схема термостата: 1 — объект регулирования; 2 — нагреватель; 3 — теплоизоляция; 4 —- датчик температуры; 5 — исполнительное устройство; 6 — источник питания; 7 — усилитель; 8 — задающее устройство

Усилитель сравнивает сигнал с датчика с сигналом, поступающим с задаю­щего устройства (8) — так называется устройство, которым мы можем уста­навливать нужную нам температуру в системе. В простейшем случае это пе­ременный резистор, включенный по схеме потенциометра, с которого можно снимать напряжение в таком диапазоне, чтобы его крайние значения соответ­ствовали сигналу с датчика при крайних значениях нужного нам диапазона температур.

Так как в начальный момент температура, как мы договорились, меньше заданной, то напряжение с термодатчика ниже напряжения сигнала с задаю­щего устройства, и на выходе усилителя будет большое положительное на­пряжение насыщения выхода ОУ (меньшее напряжение поступает на инвер­тирующий вход, потому выход положителен). Это напряжение приведет в действие исполнительное устройство, которое на схеме условно показано в виде контактов реЛе — в простейшем случае это и есть реле, электромехани­ческое или электронное, которое своими контактами подает напряжение от источника питания (например, прямо от бытовой сети) на нагреватель.

Обратная связь для усилителя замыкается через сам объект: когда нагрева­тель достаточно прогреет воду в баке, сигнал с термодатчика превысит уста­новленный с помощью задающего устройства уровень, напряжение на выхо­де усилителя упадет до нуля (или даже станет отрицательным— если питание усилителя двуполярное), исполнительное устройство снимет пита­ние с нагревателя, и вода начнет остывать, пока температура датчика вновь не достигнет заданного значения — теперь уже «сверху», то есть со стороны больших значений температуры, чем заданная.

Вы не поверите, сколько подводных камней кроется в такой, казалось бы простой и понятной системе! Начнем с того общего положения, что термо­стат всегда поддерживает температуру в той, и только в той точке, в которой установлен датчик. Поэтому если вода в нашем баке плохо пере­мешивается, то обязательно возникнет ситуация локального перегрева — вплоть до того, что вокруг нагревателя вода может уже закипеть, а датчик так и останется холодным. Датчик при этом еще может быть установлен «не в том месте», например, слишком близко ко дну, в то время как теплая вода от нагревателя будет подниматься вверх. А если датчик установить, наоборот, слишком близко к нагревателю и тем более прямо над ним, в потоке подни­мающейся теплой воды, то все произойдет наоборот— система сработает слишком рано, когда вода вокруг еще холодная.

Поэтому первое условие хорошего регулирования — как можно более интен­сивное перемешивание среды, в которой температура регулируется. На рис. 12.7 для этой цели изображена мешалка, но, конечно, перемешивать можно и другими способами. Во многих случаях — когда это возможно — бак следует также укутывать теплоизоляцией, а стенки для более равномер­ного распределения температур делать металлическими. Обратите внимание, что системы климат-контроля в автомобилях, которые устроены в принципе точно так же, как описано (только среда — воздух, а не вода), для эффектив­ной работы требуют минимума притока внешнего воздуха (фактически та же теплоизоляция) и интенсивного его перемешивания.

Но и это далеко не все: напомним, что тепловые процессы крайне инерционны. И нагреватель, и датчик, и масса воды, и стенки бака обладают некоей тепло­емкостью и, соответственно, тепловой инерцией, которая на много порядков превышает время срабатывания электронных устройств. Процессы нагревания и остывания протекают во времени примерно так же, как процесс заряда-разряда конденсатора через резистор (см. рис. 5.7), потому эти процессы также можно охарактеризовать аналогом постоянной времени RC— она так и назьь вается тепловой постоянной времени. В данном случае наибольшая постоянная времени будет у системы «стенки бака — вода». Но нас даже больше интересу­ет тепловая постоянная нагревателя (тепловую инерцию датчика пока учиты­вать не будем — обычно она много меньше остальных).

Что будет происходить в реальной системе? Когда температура, по мнению датчика, достигла заданной, электронные компоненты послушно выключат питание нагревателя. Но он еще некоторое время будет греть воду, отдавая ту­да тепло, запасенное за счет его собственной теплоемкости. Чем массивнее на­греватель, тем дольше будет происходить этот процесс. Мало того, это оста­точное время также зависит от мощности нагревателя: чем он мощнее, тем также количество лишнего отданного тепла будет больше, потому что выше будет начальная температура внутри нагревателя. Произойдет перерегулирова­ние — нагреватель давно выключен, а температура некоторое время продолжа­ет расти. В точности то же самое, но в обратную сторону, повторится при ос­тывании системы — нагреватель включится, но ему нужно некоторое время, чтобы прогреться, и все это время температура будет продолжать падать.

Отсюда второе условие хорошего регулирования — масса нагревателя и его мощность должны быть минимально возможными, то есть такими, чтобы при наихудших условиях (при максимальной разнице между установленным зна­чением температуры и окружающей средой) только-только суметь «побе­дить» потери тепла через стенки бака и через поверхность воды. На самом деле это положение в полной мере действительно только в нашей простей­шей схеме релейного регулирования (нагреватель или выключен, или вклю­чен полностью). Далее мы увидим, что можно ослабить требования, если ре­гулировку производить другим способом: плавным изменением мощности пропорционально разнице температур. Как видим, схема уже усложняется.

Естественно, само по себе регулирование будет происходить только в опре­деленных пределах температуры окружающей среды. Если температура сре­ды выше или равна установленной, то бак никогда не остынет, а нагреватель никогда не включится, и система будет просто иметь температуру окружаю­щей среды. Наоборот, при очень низкой температуре среды у нас может не справиться нагреватель — потери тепла превзойдут его мощность.

Холодильник в этой системе может понадобиться, если нам нужно поддер­живать температуру ниже температуры окружающей среды или независимо от нее (в разобранном случае роль холодильника играет окружающая среда).

Как же его сюда при необходимости пристроить? Это несложно, достаточно разместить охлаждающий агрегат в баке, а включать его, например, в проти­воположной фазе с нагревателем — когда нагреватель включен, холодильник выключен и наоборот. Но холодильник всегда имеет очень большую инерци­онность, и плавное регулирование мощности (холодопроизводительности) для него недоступно. Поэтому чаще поступают иначе: холодильник нередко не выключают вовсе, а мощность нагревателя подбирают так, чтобы он в лю­бом случае «побеждал» холодильник. При этом, увы, подавляющая часть по­требляемой энергии уходит на взаимную «борьбу» холодильника и нагрева­теля, то есть с точки зрения целевого назначения совершенно впустую. Зато качество регулирования оказывается на высоте.

Если же вообще нагреватель убрать, а холодильный агрегат включать через регулятор по рис. 12.7 (естественно, где-то инвертировав фазу: холодильник должен включаться при превышении заданной температуры, а не при сниже­нии ее), мы получим в точности схему обычного домашнего холодильника — он ведь и предназначен для того, чтобы поддерживать температуру всегда ниже, чем температура окружающей среды, и точно так же перестанет что-либо регулировать, если эта температура выйдет за пределы диапазона регу­лировки. Если холодильник выставить на мороз, то он никогда не нагреется, а если поставить в горячем цеху (или просто открыть дверцу), то никогда не выключится.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты