Законы регулирования

Измерение температуры: теория и практика

Термопары

Явление термоэлектричества было открыто немецким физиком Т. Зеебеком (T. Seebeck) в 1821 г. и состоит в следующем. Если соединить два проводника (термоэлектрода) из разнородных металлов или сплавов таким образом, чтобы они образовали замкнутую электрическую цепь (рис. 1), и затем поддерживать места контактов (спаи) при различной температуре, то в цепи будет протекать постоянный ток.

Говорят, что термоэлектрод А положителен по отношению к В, если ток течет от А к В в более холодном из двух контактов. Электродвижущая сила, вызывающая этот ток, называется термоЭДС Зеебека и зависит только от материала термоэлектродов и разности температур спаев.

E = α(T₁ - T₂),

где α — коэффициент пропорциональности (коэффициент Зеебека).

Таким образом, зная температуру одного спая (обычно ее поддерживают постоянной, например, равной 0°С) и измеряя этот ток или напряжение, можно однозначно определить неизвестную температуру другого спая.

Конструкции и материалы для изготовления термопар весьма разнообразны (рис. 2) и определяются физическими и химическими свойствами веществ, температуру которых необходимо измерять. Различают три основных типа термопар (рис. 3): с открытым контактом, с изолированным незаземленным контактом и с заземленным контактом.

Термопары с открытым контактом имеют малую коррозионную стойкость и малую постоянную времени и пригодны для измерения температуры жидкости и газа в потоке, а также твердых тел. Два других типа термопар пригодны для измерений в агрессивных средах. В таблице 2 приводятся основные типы термопар и их параметры в соответствии с международной спецификацией, а в таблице 3 — наиболее распостраненные варианты конструктивного исполнения термопар и области их применения.

Законы регулирования

1. Двухпозиционный закон регулирования – самый простой метод регулирования температуры: нагреватель включен, если текущая температура ниже задания, и отключен, если превышает задание. Для предотвращения «дребезга» вблизи заданного значения устанавливается гистерезис или, иначе, зона нечувствительности. Точность регулирования температуры в какой-то степени зависит от величины гистерезиса, чем он меньше, тем точнее регулирование, но тем чаще включается нагреватель. При управлении объектом по этому закону всегда присутствуют колебания температуры, амплитуда и период которых мало зависят от регулятора, а определяются конструкцией и параметрами объекта.

2. При трехпозиционном законе, позволяющем уменьшить колебания температуры, используется регулирующее устройство в двухпозиционном режиме, компаратор в режиме «0» и, соответственно, два выхода регулятора. Используя прямые и инверсные выходы регулирующего устройства и компаратора, а также различные соотношения между заданиями 1 и 2, можно реализовать много вариантов управления объектами, в том числе двухступенчатое регулирование, совместное использование нагревателей и охладителей и др.

3. ПИД (пропорционально интегрально дифференциальный закон) – закон регулирования обеспечивает значительно более высокую точность поддержания температуры, чем предыдущие. В этом случае регулятор учитывает величину и продолжительность отклонения, а также скорость его изменения. Качество регулирования зависит, прежде всего, от того, насколько оптимально коэффициенты ПИД –закона соответствуют свойствам объекта. Выходной сигнал регулирующего устройства может быть двух видов:

- аналоговый (0…5 мА или 4…20 мА), который подается на исполнительные устройства, имеющие соответствующий вход; как правило эти устройства представляют собой мощные фазоимпульсные модуляторы, позволяющие плавно изменять ток нагрузки;

- широтно-модулированный (ШИМ), при котором мощность, выделяемая нагревателем, пропорциональна Т_вкл / Тр, где Тр – период регулирования, Т_вкл – время включения нагрузки (см. рис.). Период регулирования может быть выбран фиксированным или равным С/20, где С – постоянная времени интегрирования ПИД – закона. Фиксированный период регулирования (0,8 сек. при разрешении 1 ^оС или 1,6 сек. при разрешении 0,1 и 0,01 ^оС) устанавливается при использовании нагревателей, обладающих небольшой тепловой инерцией. Вид выходного сигнала при ПИД – законе определяется первым параметром меню РЕЖИМ

Ограничение мощности - максимальный уровень мощности, возможный при работе регулятора; выражается в процентах от мощности, выделяемой при постоянно подключенном нагревателе/охладителе. Установка этого параметра меньше 100% применяется для объектов, не допускающих подачу полной мощности.

Коэффициенты ПИД - закона регулирования, к которым относятся диапазон пропорциональности (b) и постоянная времени интегрирования (С) определяют точность выполнения термической программы. Оптимальные значения коэффициентов зависят от конструкции объекта и первичного преобразователя, массы загрузки, рабочей температуры. Чем больше температура, тем меньше должны быть значения b и С при прочих равных условиях. Чем больше загрузка, тем меньше b и больше С, однако, коэффициент С слабо зависит от загрузки. Значения коэффициентов могут быть определены регулятором с помощью режима самонастройки или введены вручную, если они известны. Диапазон коэффициентов, а также шаг установки зависят от выбранной разрешающей способности индикации температуры