Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

REGULACJA TEMPERATURY W URZĄDZENIACH ELEKTROTERMICZNYCH

1. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z metodami regulacji temperatury w

urządzeniach elektrotermicznych. Obiektem regulowanym jest piec sylitowy rurowy PSR

[28]. Ćwiczenie przewiduje wyznaczenie rozrzutu temperatury regulowanej, a następnie

zmniejszenie tego rozrzutu za pomocą przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego.

2. Wyjaśnienia podstawowe

Celem regulacji stałowartościowej w urządzeniach technicznych jest doprowadzenie

pewnej wielkości fizycznej, zwanej wielkością regulowaną, do z góry zadanej wartości i

utrzymanie tej wielkości na stałym poziomie. W przypadku urządzeń grzejnych wielkością

tą jest temperatura najczęściej temperatura wsadu.

Powszechnie stosowanym, choć nie jedynym sposobem regulacji, jest regulacja

nieciągła temperatury, W tym systemie regulacji zmiany temperatury powodują zmiany

wartości wejściowej, przy czym, wielkość nastawiana (moc grzejna.) przyjmuje kolejno

ś

ciśle określone wartości. W najprostszym i najczęściej stosowanym systemie regulacji

nieciągłej moc grzejna przyjmuje dwie wartości - 0 lub P, a wiec jest to regulacja

dwustanowa.

Charakterystyczną cechą regulacji dwustanowej są powtarzające się okresy włączeń i

wyłączeń mocy grzejnej P, powodujące zmiany temperatury rzeczywistej obiektu

regulowanego w zakresie R, zwanym rozrzutem temperatury:

Rozrzut temperatury zależy od:

a)

strefy nieczułości regulatora D, tj. najmniejszej zmiany wartości siły

termoelektrycznej, powodującej zadziałanie regulatora;

b)

bezwładności cieplnej pieca;

c)

bezwładności cieplnej czujnika termoelektrycznego;

d)

nadwyżki mocy grzejnej pieca nad mocą strat cieplnych w danej temperaturze.

Przebieg regulacji dwustawnej przedstawiono na rys.1.

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

Rys. 1. Regulacja dwustawna temperatury: a) zmiany temperatury rzeczywistej

r

ϑ

obiektu

regulowanego i temperatury

c

ϑ

, czujnika członu pomiarowego; b) zmiany mocy grzejnej P

W chwili, gdy t = 0 temperatura rzeczywista obiektu wynosi

ro

ϑ

. Temperatura ta jest niższa

niż temperatura zadana

n

ϑ

,wiec elementy grzejne są włączone. Ponieważ przenoszenie ciepła

od elementów grzejnych do obiektu regulowanego, a następnie do czujnika pomiarowego od-

bywa się ze skończoną prędkością, wskazania członu pomiarowego są opóźnione w stosunku

do zmian temperatury rzeczywistej. Wyłączenie elementów grzejnych nie następuje

natychmiast po osiągnięciu przez czujnik temperatury zadanej. Każde urządzenie

samoczynnej regulacji ma pewien zakres nieczułości, tzn. zadziałanie jego następuje dopiero

po wystąpieniu pewnej odchyłki temperatury. Odchyłki związane z nieczułością urządzenia

wynoszą

1

n

ϑ

∆

i

2

n

ϑ

∆

a sama nieczułość

2

1

n

n

D

ϑ

ϑ

∆

+

∆

=

. Wyłączenie elementów grzejnych

nastąpi w chwili, gdy czujnik osiągnie temperaturę

1

n

n

ϑ

ϑ

+

nie oznacza ono zahamowania

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

wzrostu temperatury rzeczywistej obiektu. Ciepło zakumulowane w elementach grzejnych

jest przekazywane do obiektu do czasu, gdy straty cieplne do otoczenia zaczną przeważać. Od

tej chwili rozpoczyna się stygnięcie obiektu i trwa tak długo, aż czujnik osiągnie temperaturę

2

n

n

c

ϑ

ϑ

ϑ

∆

−

=

. Włączenie elementów grzejnych nie powoduje natychmiastowego wzrostu

temperatury rzeczywistej. Wzrost ten zacznie się w chwili, gdy energia dostarczona

przewyższy wartość strat cieplnych do otoczenia. Natomiast wzrost temperatury czujnika

nastąpi dopiero po zrównaniu się temperatur

c

ϑ

i

r

ϑ

.

Niezależnie od odchyłek owiązanych z nieczułością regulatora, w układzie regulacji

występują również odchyłki spowodowane bezwładnością cieplną pieca oraz nadwyżką

mocy grzejnej nad mocą strat cieplnych do otoczenia. Na rysunku 1 oznaczono je

symbolami

1

∆Θ

i

2

∆Θ

.

Z rysunku widać, że rozrzut temperatury

(1)

min

max

2

1

ϑ

ϑ

−

=

∆Θ

+

∆Θ

=

R

Przebieg zmian temperatury w czasie pokazany na rysunku 1 odzwierciedla istotę

zjawiska w sensie jakościowym, pewne uproszczenie wykresu polega na tym, że w

rzeczywistości przebiegi zmian temperatury nie są opisane równaniami liniowymi.

Rozrzuty temperatur w piecach; przemysłowych wyposażonych w regulatory

elektroniczne klasy 1,5 oraz w czujniki w osłonach, zawierają sio w granicach 30-60

°

C.

Takie wartości rozrzutu uniemożliwiają niekiedy prawidłowe prowadzenie procesów obróbki

cieplnej, wobec czego muszą być zmniejszone.

Urządzeniami służącymi do zmniejszania rozrzutu temperatury w regulacji

dwustawnej są przystawki sprzężenia zwrotnego. Schemat przystawki jednokierunkowej

sprzężenia zwrotnego przedstawiono na rysunku 2.

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

Rys. 2. Schemat przystawki jednokierunkowej sprzężenia zwrotnego; 1 – przystawka, 2 –

miernik regulator

Przystawka ta ma za zadanie przyspieszenie wyłączenia elementów grzejnych. Dzieje się tak

dlatego, że siła termoelektryczna powstająca w przystawce dodaje się do siły

termoelektrycznej czujnika członu pomiarowego. Tak skonstruowana przystawka nie ma

natomiast wpływy na chwilę włączania elementów grzejnych. Konsekwencją takiego

działania jest wystąpienie pewnej różnicy pomiędzy średnią temperaturą rzeczywistą a

temperaturą zadaną. Dla zapewnienia małych rozrzutów temperatury, jak również

temperatury rzeczywistej równej temperaturze zadanej, należy w tym układzie przyjąć

temperaturę zadaną nieco wyższą niż w układzie bez przystawki.

Wady tej praktycznie jest pozbawiony układ z przystawką dwukierunkową sprzężenia

zwrotnego. Schemat przystawki dwukierunkowej przedstawiono na rysunku 3.

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

Rys. 3 Schemat przystawki dwukierunkowej sprzężenia zwrotnego; 1 – przystawka, 2 –

miernik regulator

Sposób działania jest następujący: zostały w niej zastosowane dwa termometry dodatkowe

Td

1

i Td

2

podgrzewane oddzielnymi grzejnikami R

t1

i R

t2

. Termometry te są połączone

przeciwsobnie, tzn. siły termoelektryczne w nich powstające skierowane są przeciwnie. Z

chwilą włączenia elementów grzejnych w piecu następuje Wyłączenie grzejnika R

t1

.W

termoelemencie Td

1

, powstaje siła termoelektryczna dodająca się do siły termoelektrycznej

termoelementu T. Powoduje to przyspieszenie wyłączenia elementów grzejnych, które to

wyłączenie jest związane z włączeniem grzejnika R

t2

. Siła termoelektryczna powstająca w

termoelemencie Td

2

odejmuje się od siły termoelektryczna termoelementu T, co jest

przyczyną ponownego włączenia elementów grzejnych pieca.

3. Program ćwiczenia

Obiektem badanym jest piec sylitowy rurowy PSR-1. Pomiary należy przeprowadzić

w układzie przedstawionym na rysunku 4. Podczas ćwiczenia wyznacza się przebieg zmian

temperatury

ϑ

i mocy P pieca w funkcji czasu w układzie bez przystawki sprzężenia

zwrotnego.

Na podstawie pomiarów sporządzić wykres

ϑ

= f (t), z wykresu wyznaczyć należy

następujące wielkości:

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

a)

rozrzut temperatury pieca R;

b)

strefę nieczułości regulatora D;

c)

wartości odchyłek temperatury

1

∆Θ

i

2

∆Θ

.

Rys. 4. Schemat układu pomiarowego

Następnie należy wyznaczyć nastawy przystawki sprzężenia zwrotnego. Sposób

postępowania jest następujący: wymagane jest zmniejszenie rozrzutu temperatury o wartości

(

1

∆Θ

-D/2) i (

2

∆Θ

-D/2). W tym celu należy obliczyć te różnice temperatur, a z tabeli 1

odczytać wartości sił termoelektrycznych, odpowiadających poszukiwanym temperaturom.

Tabela

1

przedstawia

charakterystykę

termometryczną

termoelementu

PtRh-Pt.

Charakterystyka ta w zasadzie nie jest liniowa, jednak w przedziałach temperatur podanych

w tabeli poszukiwane wartości mogą być interpolowane. Po wyznaczeniu odpowiednich sił

termoelektrycznych należy wyznaczyć nastawy przystawki sprzężenia zwrotnego na

podstawie charakterystyki przystawki podanej w tabeli2. Następnie przystawkę należy

włączyć w obwód regulatora temperatury i ponownie przeprowadzić pomiary.

Pomiar siły termoelektrycznej czujnika temperatury wykonuje się za pomocą

miliwoltomierza z plamką świetlną (patrz rys. 3).

Pomiary wykonywać na tym samym poziomie temperatury zadanej i dla tej samej

mocy elementów grzejnych (przełącznik mocy pieca na szafie sterowniczej w pozycji 2 lub

3).

Tabela 1. Charakterystyka termometryczna termoelementu platynorod-platyna (Pt-Rh-Pt) wg

PN-95/M-53854

Tempera-

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

tura

°

C

Siła termoelektryczna w miliwoltach

0

0,643

1,436

2,316

3,251

4,221

5,224

6,260

7,379

8,432

9,570

10,741

11,935

0,056

0,717

1,521

2,408

3,347

4,319

5,326

6,365

7,438

8,545

9,686

10,86

12,055

0,113

0,792

1,607

2,499

3,442

4,419

5,429

6,471

7,547

8,657

9,802

10,979

12,175

0,173

0,869

1,693

2,592

3,539

4,518

5,532

6,577

7,656

8,770

9,918

11,098

12,296

0,235

0,946

1,780

2,685

3,635

4,618

5,635

6,683

7,766

8,883

10,035

11,217

12,416

0,229

1,025

1,868

2,778

3,732

4,718

5,738

6,790

7,876

8,997

10,152

11,336

12,536

0,364

1,106

1,956

2,872

3,829

4,818

5,842

6,897

7,987

9,111

10,269

11,456

12,536

0,431

1,187

2,045

2,966

3,926

4,909

5,946

7,005

8,098

9,225

10,387

11,575

12,777

0,500

1,269

2,135

3,061

4,024

5,020

6,050

7,112

8,209

9,340

10,504

11,695

12,897

0,571

1,352

2,225

3,156

4,122

5,132

6,135

7,220

8,320

9,455

10,623

11,815

13,018

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

13,138

14,337

15,530

16,716

13,258

14,457

15,649

-

13,378

14,576

15,768

-

13,498

14,696

15,887

-

13,618

14,815

16,006

-

13,738

14,935

16,124

-

13,858

15,054

16,243

-

13,978

15,173

16,361

-

14,098

15,292

16,479

-

14,217

15,411

16,597

-

Liczby poniżej linii poziomej oznaczają wartości siły termoelektrycznej w zakresie

krótkotrwałej pracy elementu

Tabela 2.a Charakterystyki przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego

Przystawka sprzężenia dodatniego

Nastawienie skali

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1

2

Siła termoelektryczna w mV

0,57

0,68

0,71

0,74

0,77

0,80

0,97

1,32

Tabela 2.b Charakterystyki przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego

Przystawka sprzężenia ujemnego

Nastawienie skali

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1

2

Siła termoelektryczna w mV

0,45

0,72

0,76

0,81

0,84

0,89

1,06

1,38

Wersję elektroniczną opracował:

mgr inż. Robert Fiuk

Tabela 3. Wyniki Badań

t

ϑ

U

I

P

Rodzaj

regulacji

Stan

pieca

s

°

C

V

A

W

Uwagi

bez

przystawki

t

z

t

max

t

w

t

min

n

ϑ

=…..

°

C

z

przystawką

t

z

t

max

t

w

t

min

n

ϑ

=…..

°

C

4. Wyniki badań

W sprawozdaniu należy umieścić wyniki badań zestawione w tabeli 3. Cykl

obserwacji wykonać pięciokrotnie.

Do sprawozdania dołączyć wykres:

ϑ

= f (t) oraz P = f(t) dla regulacji bez sprzężenia

zwrotnego i z sprzężeniem zwrotnym oraz obliczenia nastaw przystawki. W wnioskach

ocenić jakość regulacji przy zastosowaniu przystawki cieplnego sprzężenia zwrotnego.